揭秘柔性电子的“骨架“：二维过渡金属碳化物和氮化物MXene

揭秘柔性电子的"骨架"：二维过渡金属碳化物和氮化物MXene

从折叠手机到电子皮肤，柔性可穿戴设备正在改变我们的生活。但你知道吗？这些设备的"骨骼"，竟然可能来自一种特殊的陶瓷材料——MXene纤维。

从科幻到现实：柔性电子的无限可能

想象一下这样的场景：你的手机可以像纸一样折叠塞进口袋；你的衣服能实时监测心率、体温，并在寒冷的冬天自动加热；或者一块"电子皮肤"贴在义肢上，让使用者重新获得触觉。

这些曾经只存在于科幻电影中的场景，正在随着柔性电子技术的发展一步步成为现实。而在这场技术革命中，一种特殊的"骨架"——高性能导电纤维，正扮演着至关重要的角色。

中国科学技术大学苏州高等研究院程群峰教授课题组指出："高性能导电纤维作为可穿戴电子纺织品的重要组成单元，广泛应用于健康管理、人机交互、运动监测、能量存储与收集、热管理及电磁干扰屏蔽等航空航天及日常生活中的多个领域。"

MXene：理想的"建筑材料"

那么，什么样的材料才能胜任这个角色？科学家们将目光投向了一种特殊的二维材料——MXene。

MXene是二维过渡金属碳化物和氮化物的总称。这种材料有什么特别之处？研究显示，MXene纳米片"表现出优异的力学、电学、电化学及光热转换性能，以及良好的溶液加工性，使其在制造高性能导电MXene纤维方面展现出极大的前景"。

换句话说，MXene集多重优势于一身：它像金属一样导电，像陶瓷一样坚固，同时又足够柔软可以被加工成各种形状。这使它成为构建高性能导电纤维的"理想基元"。

难题：从纳米到宏观的"组装困境"

然而，从理想的纳米材料到实用的宏观纤维，中间横亘着一道难题。

程群峰教授团队在综述文章中解释道："由于MXene纳米片组装成宏观纤维的过程中，界面相互作用弱、结构无序及纳米片褶皱等问题常常导致纤维内部产生孔隙缺陷，从而阻碍应力传递效率和电子传输，限制了宏观MXene纤维的整体性能。"

简单来说，就像用砖块砌墙时，如果砖块排列不整齐、砂浆粘结不牢固，墙就会有很多缝隙，既不结实也不美观。同样，当MXene纳米片组装成纤维时，如果排列杂乱、片层之间结合不紧密，就会形成大量空隙，严重影响纤维的强度和导电性。

突破：如何"消除缺陷"？

针对这一难题，程群峰教授和周天柱特任研究员课题组在《先进材料》（Advanced Materials）期刊上发表了题为"Defect-Elimination Strategies for Fabricating High-Strength and Highly Conductive MXene Fibers"的综述文章，系统梳理了近十年来在制备高强度、高导电性MXene纤维过程中的缺陷消除策略。

文章指出，构建高性能导电MXene纤维的关键因素包括三个方面："加强界面相互作用、改善MXene纳米片排列和消除空隙"。

这就像解决砌墙问题：需要加强砖块之间的粘结（界面相互作用），让砖块排列得更整齐（改善纳米片排列），同时填补所有缝隙（消除空隙）。

创纪录的MXene纤维

那么，这些策略在实践中效果如何？程群峰教授团队与北航万思杰研究员团队合作，在《自然·通讯》（Nature Communications）上发表的研究成果给出了令人振奋的答案。

他们发明了一种径向限域结合轴向拉伸的新方法，在室温下连续化制备出高性能碳化钛纤维。具体来说，他们首先在同轴湿法纺丝过程中，通过钙离子桥联海藻酸钠形成封装层，从径向限制纤维收缩，减少横向皱纹导致的空隙；随后通过卷对卷辅助拉伸，使纳米片沿轴向定向排列。

图1 | 受限拉伸MXene（CSM）纤维的制备过程、结构模型和性能。 a，CSM纤维的制备过程及结构模型示意图。MXene和海藻酸钠（SA）溶胶通过同轴湿法纺丝挤入浓度为5 wt%的氯化钙（CaCl₂）溶液中，随后经过连续拉伸、去离子水（DIW）洗涤和干燥，得到CSM纤维。 b, c，一卷CSM纤维（b）和一块横向尺寸为8 × 9 cm²的CSM织物（c）的照片。比例尺，2 cm。 d，CSM纤维（红色星星）的拉伸强度、韧性和导电率超过了先前报道的湿纺纯MXene纤维（绿色三角）和MXene复合纤维（紫色方块）。散点图中样品编号对应的材料名称、详细数据和参考文献列于补充表6。 e，CSM织物（红色）的SE/t超过了先前报道的使用聚合物（黑色）、金属（绿色）、碳（粉色）和MXene（蓝色）复合纤维编织的织物。样品编号对应的材料名称、详细数据和参考文献列于补充表7。

为了揭示CSM纤维高性能的结构根源，研究人员对其微观结构进行了深入表征。如图2所示，与存在大量空隙、纳米片皱褶明显的普通MXene纤维（图2a）相比，CSM纤维显示出高度致密和高度取向的层状结构（图2b）。定量分析表明，CSM纤维的孔隙率（7.47%）显著低于MXene纤维（15.3%），其纳米片取向因子（0.903）也远高于后者（0.717），同时层间距更小（图2c-e）。这些结果证实了径向限制与轴向拉伸的协同作用有效抑制了毛细管收缩，消除了横向皱纹和空隙，实现了纳米片的紧密组装和高度排列。

图2 | MXene和CSM纤维的结构表征。 a, b，通过聚焦离子束切割的横截面和轴向截面的SEM及明场TEM图像（独立重复三次，结构相似），以及MXene（a）和CSM（b）纤维的理论模拟对应模型快照。一列和第四列为SEM图像，第二和第五列为TEM图像。模型快照中不同的MXene纳米片采用不同颜色进行后期渲染。从左至右比例尺依次为：10 μm, 50 nm, 20 μm, 和 10 nm。 c，MXene纤维（蓝色）和CSM纤维内部MXene层（红色）的体积孔隙率百分比。 d，湿态（红色）和干态（蓝色）MXene及CSM纤维的赫尔曼取向因子。 e，MXene（蓝色）和CSM（红色）纤维的层间距。 数据以平均值±标准差表示（适用于三个独立实验）。

这种微观结构直接转化为宏观性能。力学测试表明（图3a,b），CSM纤维不仅具有高的拉伸强度和杨氏模量，其韧性和断裂应变也大幅提升。得益于致密取向的结构缩短了电子传输路径并促进了层间电子传输，CSM纤维的导电率也达到高。此外，CSM纤维还表现出优异的抗氧化性（图3c）、抗循环拉伸/弯曲疲劳性（图3d）以及抗超声损伤能力。在焦耳加热测试中（图3e），CSM纤维能快速升温并保持稳定的循环加热性能。与易在弯折时开裂甚至断裂的普通MXene纤维不同，即使打结的CSM纤维也能保持结构完整并正常点亮LED灯（图3f），展现了其在柔性导线中的应用潜力。

图3 | MXene和CSM纤维的性能。 a，MXene和CSM纤维的典型拉伸应力-应变曲线。 b，雷达图比较MXene（蓝色）和CSM（红色）纤维的拉伸强度、杨氏模量、韧性、应变和导电率。 c，MXene和CSM纤维在100%相对湿度的潮湿空气中储存时，电导保持率随时间的变化。 d，在50 MPa应力幅值和1 Hz加载频率下，MXene和CSM纤维的失效循环次数与较大应力水平的关系。 e，CSM纤维在4 V电压下循环开关焦耳加热过程中的温度随时间变化。 f，弯曲的MXene纤维和打结的CSM纤维的SEM图像（独立重复三次，结构相似）。比例尺，左图20 μm，右图50 μm。

将CSM纤维编织成纺织品后，其功能特性得到进一步体现。如图4所示，CSM织物表现出的EMI屏蔽效能，且其主要屏蔽机制为吸收（图4a-c）。该屏蔽性能在多次循环弯曲（图4d）和洗涤后仍能高度保持。同时，CSM织物在不同变形状态下均能保持稳定高效的焦耳加热性能（图4e），并显示出良好的生物相容性。

图4 | CSM织物的电磁干扰屏蔽和焦耳加热性能。 a，108微米厚和216微米厚的CSM织物的电磁干扰屏蔽效能随频率的变化。插图显示了108微米厚CSM织物的SEM图像（独立重复三次，结构相似）。比例尺，1 mm。 b，108微米厚和216微米厚CSM织物在8.2 GHz频率下的吸收屏蔽效能（SEA，蓝色）、反射屏蔽效能（SER，粉色）和总屏蔽效能（SEtotal，红色）。CSM织物的屏蔽主要贡献来自吸收。 c，示意图说明CSM织物的电磁干扰屏蔽机制，包括反射和吸收。 d，CSM织物在0°至180°循环弯曲过程中，电磁干扰屏蔽效能保持率随循环次数的变化。 e，平坦、弯曲和扭曲的CSM织物的焦耳加热性能保持率。插图显示了这些织物在8 V电压下加热的光学和红外图像。比例尺，2 cm。

综上所述，该研究通过一种连续的协同策略，成功解决了MXene纳米片在组装成宏观纤维时因横向皱纹产生空隙和排列不佳的难题，制备出了具有高强度、高导电性及优异环境稳定性的MXene纤维。由此纤维编织的大面积织物集成了非凡的电磁干扰屏蔽、焦耳加热、使用稳定性和生物相容性。这项研究不仅为MXene在可穿戴智能纺织品领域用于电磁屏蔽和电热管理的实际应用铺平了道路，也为其他二维纳米片规模化组装成高性能纤维提供了新途径。

研究数据显示，与存在大量空隙（孔隙率15.3%）、纳米片皱褶明显的普通MXene纤维相比，他们制备的受限拉伸MXene（CSM）纤维显示出高度致密和高度取向的层状结构，孔隙率显著降低至7.47%，纳米片取向因子从0.717提升至0.903。

这种微观结构直接转化为宏观性能。CSM纤维实现了创纪录的拉伸强度（958 MPa）和导电率（13,692 S cm⁻¹），分别是普通MXene纤维的9.96倍和1.47倍。

更直观地展示其柔性：即使打结的CSM纤维也能保持结构完整并正常点亮LED灯——这在普通MXene纤维上是无法实现的。

 应用：从纤维到智能纺织品

将这些高性能纤维编织成织物后，其功能特性得到进一步体现。由CSM纤维编织的织物表现出电磁干扰屏蔽能力，其厚度归一化屏蔽效能高达6,509 dB cm⁻¹，优于此前报道的多种聚合物、金属、碳及MXene复合纤维织物。

同时，这种织物还具有稳定的焦耳加热性能——简单来说，通电就能发热，而且在不同变形状态下（弯曲、扭曲）都能保持稳定。

在另一项发表于《自然·通讯》的研究中，程群峰教授与新加坡南洋理工大学魏磊教授合作，制备出拉伸强度达941.5 MPa、电导率达12,836.4 S cm⁻¹的MXene复合纤维。他们将这种纤维通过数字化刺绣技术集成到织物中，开发出一套长距离、无电池的无线健康监测系统。用户只需用智能手机靠近衣物，即可在超过50厘米的距离上实现体温、脉搏等生理数据的无线采集与传输。

从实验室到日常生活

从折叠手机到电子皮肤，从智能纺织品到健康监测系统，MXene纤维正在为柔性电子设备构建坚实的"骨架"。而中国科大团队在缺陷消除策略方面的系统研究，正为这一领域的发展提供理论基础和实践指导。

正如程群峰教授团队在综述中所展望的，通过界面设计和结构调控来制造高性能MXene纤维的潜在策略，将"为推动MXene纤维的研究及其实际应用提供系统性的参考与有益指引"。

从实验室的微观结构调控，到日常生活中可穿戴的智能纺织品，这条从"陶瓷"到"衣服"的道路，正在科学家们的努力下越走越宽。