南开大学《自然·通讯》：仿生设计突破极限！高强度高韧性MXene纤维问世

近年来，二维材料MXene（碳化钛）因其卓越的导电性和物理化学性质，在多个前沿领域展现出巨大应用潜力。特别是将其组装成宏观纤维，为开发高性能纤维电子器件带来了新机遇。然而，MXene纳米片易褶皱、堆叠时产生内部空隙以及层间相互作用弱等问题，导致其宏观纤维的机械性能较差，难以满足实际应用需求。以往的研究主要通过消除空隙和提高纳米片排列有序度来增强纤维强度，但这往往以牺牲韧性和延展性为代价，使得纤维变得刚硬易脆。如何在提升强度的同时保持甚至增强其韧性和柔性，成为该领域面临的一大挑战。

受鹿角独特的高强度、高韧性协同分级结构启发，南开大学梁嘉杰教授、岳钊教授和中国科学技术大学朱银波教授合作，成功开发出一种兼具优异力学性能与高导电性的仿生MXene纤维。该研究摒弃了传统去除孔隙的致密化策略，转而构建了强韧且可滑动的双界面，并使其与内部微孔协同作用，模仿鹿角中多孔结构与层状组织的强化增韧机制。在最优孔隙率（约21%）下，这种MXene纤维实现了约1060 MPa的高拉伸强度、34.2%的断裂伸长率以及约136 MJ m⁻³的创纪录韧性。此外，该纤维表现出弹性、高耐久性，且比许多聚合物纤维更柔软。经银纳米线涂层后，其电导率超过10500 S cm⁻¹。这种仿生策略为制备坚固、多功能的智能纺织品用纤维开辟了新途径。相关论文以“Biomimetic strong and tough MXene fibers with synergy between micropores and dual interfaces”为题，发表在

Nature Communications

研究团队通过湿法纺丝、洗涤、交联和热压等一系列连续工艺，制备出具有微孔结构和强韧-滑动双界面的MXene纤维（PPM纤维）。如图1所示，其设计灵感直接来源于鹿角（图1a）的紧凑骨骼结构，该结构包含高矿化接缝和由同心层状骨板包围的多孔结构（图1c）。仿生的PPM纤维（图1b,d）呈现出类似的微孔和层状结构。通过调控热压压力（图1e），可以精确控制纤维的孔隙率，从28.5%降至7.7%。光谱分析（FT-IR, XPS）证实了MXene与聚轮烷之间形成了机械互锁的滑动界面（图1f,g），以及与PEDOT之间通过静电相互作用形成的强界面（图1h,i）。理论计算（图1j）进一步表明，MXene-PEDOT界面间的静电相互作用远强于MXene层间的氢键，为纤维增强提供了基础。

图1 | MXene/PEDOT:PSS/聚轮烷 (PPM) 纤维的设计与表征。 (a) 鹿角以及 (b) PPM 纤维的强化增韧结构特性示意图。(c) 鹿角抗切面及 (d) PPM 纤维横截面的SEM图像（独立重复5次，结构相似）。(e) PPM 纤维平均孔隙率随热压压力变化的函数关系。插图为在0.2 kPa、3 kPa和8 kPa压力下热压的PPM纤维横截面SEM图像（独立重复5次，结构相似）。比例尺为20 μm。误差棒代表n = 5次独立实验的平均值 ± 标准差。(f) 纯MXene、MXene/聚轮烷 (PrM) 和 PPM 纤维的FT-IR光谱。(g) 纯MXene和PPM纤维在Ti 2p区域的XPS光谱。(h) 部分洗脱PSS前后，PPM纤维中C-S键和Ti-OH基团的FT-IR光谱。(i) 部分洗脱PSS前后，PPM纤维在C 1s区域的XPS光谱。(j) MXene-MXene和MXene-PEDOT界面的约化密度梯度(RDG)分析。

力学性能测试结果（图2a,b）显示，相较于纯MXene纤维和其他单界面改性纤维，具备双界面的PPM纤维实现了强度、韧性和延展性的同步显著提升。其综合性能超越了绝大多数已报道的MXene纤维，甚至可与天然蚕丝等高性能纤维相媲美（图2c）。同时，该纤维展现出较低的杨氏模量（即高柔软度）和优异的导电性（图2d,e）。分子动力学模拟（图2f）揭示了双界面的协同作用机制：在拉伸过程中，聚轮烷链主要承受拉伸应变，而PEDOT区域则承担界面剪切应力，从而有效维持了相邻MXene纳米片间的载荷传递，延缓了应变局部化，使得纤维在断裂前能更有效地利用聚轮烷链，实现了强度、延展性和韧性的同步提升。

图2 | 双界面调控的MXene/PEDOT:PSS/聚轮烷 (PPM) 纤维的力学性能。 (a) MXene、MXene/PEDOT:PSS (PeM)、MXene/聚轮烷 (PrM)、PPM以及涂覆银纳米线网络的PPM纤维 (A-PPM) 的典型应力-应变曲线。(b) MXene、PeM、PrM、PPM和A-PPM纤维的力学和电学性能雷达图。(c) A-PPM纤维与其他常规纤维的韧性-拉伸强度、(d) 电导率-拉伸强度以及 (e) 杨氏模量-应变Ashby图。所用数据总结于补充表1。(f) PPM纤维的分子动力学模拟快照和应变分布。红色虚线圆圈突出了承担集中应变的分子运动。

有趣的是，研究团队发现微孔结构并非总是缺陷。如图3所示，对于具有双界面的PPM纤维，存在一个最优孔隙率（约20.8%），此时纤维的强度、韧性和延展性均达到峰值（图3a-c）。这些微孔（图3d）不仅降低了纤维的刚度，增加了柔软度，还为MXene纳米片的滑动和对齐提供了空间，有助于缓解内部应力集中。有限元模拟（图3e,f）对比了具有可滑动界面与非可滑动界面的层状多孔纤维在拉伸载荷下的应力分布，结果表明，可滑动界面模型能在孔洞周围发生界面滑动，从而释放应力，使层状结构在较大变形范围内仍保持承载能力；而非可滑动界面模型则因应力高度集中而易导致结构快速失效。

图3 | 微孔调控MXene/PEDOT:PSS/聚轮烷 (PPM) 纤维的力学性能。 (a) MXene/PEDOT:PSS (PeM) 和 (b) PPM 纤维在热压压力分别为0 kPa、0.2 kPa、1 kPa和3 kPa下制备的代表性应力-应变曲线。(c) 孔隙率为28.5%、20.8%、16.2%和11.8%的PPM纤维的拉伸强度、韧性和延展性比较。误差棒代表平均值 ± 标准差（n = 5次独立实验）。(d) 提出的机制示意图：微孔为PPM纤维中MXene的滑动提供了空间。有限元模拟在单轴拉伸载荷下，具有 (e) 可滑动界面和 (f) 不可滑动界面的层状多孔MXene纤维的应力分布。

除了卓越的静态力学性能，PPM及其银纳米线涂层版本（A-PPM）纤维还表现出出色的弹性、耐久性和环境稳定性（图4）。循环拉伸测试表明，A-PPM纤维具有高弹性回复能力和极小的残余应变（图4a-c）。即使在拉伸至25%应变时，其电阻仅轻微增加（图4d），载流能力保持稳定（图4e），并且在超过10万次的拉伸-释放循环后，电导率不仅没有衰减，反而因银纳米线沿轴向更好排列而略有提升（图4f）。纤维还具备优异的打结效率（图4g,h）和可编织性（图4i），能够轻松地进行编织、刺绣，并承受反复洗涤，满足了实际纺织应用的需求。

图4 | PPM和A-PPM纤维的弹性与耐久性。 (a) 初始预拉伸至20%应变的A-PPM纤维，再拉伸至23%-26%应变时的加载-卸载拉伸曲线。(b) A-PPM纤维在20%至26%拉伸应变之间进行五次加载-卸载循环的曲线。(c) 一段3厘米长的A-PPM纤维从20%应变拉伸至26%应变，然后恢复至20%应变的照片。(d) PPM和A-PPM纤维的相对电阻变化随拉伸应变的变化。(e) 纯MXene、PPM和A-PPM纤维的载流能力随拉伸应变的变化。(f) A-PPM纤维在20%至26%应变之间进行10万次拉伸-释放循环过程中的相对电阻变化。(g) 打结的A-PPM纤维被拉伸形成紧结，并在远离结点的位置断裂的照片。红色矩形突出了结点的位置。(h) 一段打紧结的6厘米长A-PPM纤维，提起超过自身重量12000倍的重物并以200 rpm旋转的照片。红色圆圈突出了结点的位置。(i) 由A-PPM纤维和棉纤维刺绣而成的熊猫图案照片。

基于A-PPM纤维优异的机电性能，研究团队成功开发了用于智能纺织品的两种传感器：压力传感纤维（Pressure-FS）和温度传感纤维（Temperature-FS）。Pressure-FS（图5a-d）通过电容变化检测压力，具有快速响应、高线性度和超过1000次循环的耐久性。Temperature-FS（图5e-h）则通过电阻变化监测温度，精度可达0.1°C，并在多次热循环中保持稳定。将这些传感纤维与电路、电池集成，制成了智能腕带（图5i-k），能够实时、无创地监测人体动脉脉搏波形、血压和皮肤温度等多种生理信号（图5l）。在与商用医疗级设备的对比中，该腕带显示出极高的准确性和可靠性，并在长时间剧烈运动测试中证明了其鲁棒性和耐用性。

图5 | 传感纤维、智能纺织品及健康监测应用。 (a) 基于A-PPM纤维的压力敏感纤维传感器（Pressure-FS）的结构和传感机制示意图。(b) Pressure-FS的横截面SEM图像（独立重复5次，结构相似）。比例尺为30 μm。(c) Pressure-FS在0.002–0.007 N力范围内随时间变化的相对电容变化。(d) Pressure-FS在0.003 N载荷下进行1000次压力加载-卸载循环的相对电容变化。插图：记录在4760秒至4800秒之间的详细电容变化曲线。(e) 基于A-PPM纤维的温度敏感纤维传感器（Temperature-FS）的结构和传感机制示意图。(f) Temperature-FS的横截面SEM图像（独立重复5次，结构相似）。比例尺为30 μm。(g) Temperature-FS在温度从0.1 °C变化到20 °C时随时间变化的相对电阻变化。(h) Temperature-FS在26 °C和28 °C之间进行100次加热和冷却循环的相对电阻变化。(i) 集成了Pressure-FS、Temperature-FS、信号处理电路和电池的智能腕带照片。(j) 佩戴在人手腕上的智能腕带照片，用于 (k) 实时监测生理信号（包括动脉脉搏波形、血压和皮肤温度），并传输至定制智能手机应用程序显示。(l) 志愿者佩戴智能腕带挥动羽毛球拍超过10000次过程中测量的血压和皮肤温度信号。信号同时由医用级商用袖带式电子血压计（CESM）和无纸温度记录仪（CPTR）测量。误差棒代表平均值 ± 标准差（n = 4次独立实验）。

这项研究通过模仿鹿角精巧的结构设计，成功解决了MXene纤维长期以来面临的力学性能瓶颈。所开发的仿生纤维集超高强度、韧性、导电性、弹性、柔软度和耐久性于一身，性能指标达到了前所未有的水平。这不仅为制造下一代高性能、多功能的纤维电子器件提供了全新的材料平台，也展示了其在健康监测、智能纺织品等领域的广阔应用前景。尽管在大规模生产的环境友好性和碳足迹方面仍面临挑战，但这项突破性的仿生策略无疑将推动功能性纤维向更广泛的实际应用迈出关键一步。