中科大程群峰、万思杰 《自然·通讯》：创纪录！超强MXene纤维

近年来，轻质、高强度、可变形且多功能的纤维在智能纺织品、柔性电子、航空航天和能源存储器件等领域展现出巨大的应用前景。其中，碳化钛（Ti₃C₂Tₓ）MXene作为一种新兴的二维过渡金属碳化物，集优异的力学和电学性能于一身，是构建此类纤维的理想基元。然而，如何将MXene纳米片组装成宏观高性能纤维仍面临重大挑战。在湿法纺丝等制备过程中，纳米片因干燥过程中的毛细管收缩而产生横向皱纹，导致纤维内部产生大量空隙和纳米片排列不齐，严重劣化了宏观纤维的力学、电学性能和环境稳定性，阻碍了其实际应用。

近日，中科大程群峰、万思杰课题组报道了一种连续制备高性能MXene纤维的新策略。该工作通过结合同轴湿法纺丝辅助的径向限制工艺与卷对卷辅助的轴向拉伸工艺，在近室温条件下，成功制备出了具有接近千兆帕拉伸强度和高导电性的MXene纤维。湿纺出的MXene纤维首先通过钙离子（Ca²⁺）桥联，并被原位桥联的海藻酸钠（SA）封装层径向限制，以减少横向皱纹导致的空隙，随后通过拉伸使纳米片轴向排列，最终获得具有高度取向、结构致密且层间相互作用强的MXene纤维。相关论文以“Continuous MXene fibers with near-gigapascal tensile strength via radial confinement and axial stretching”为题，发表在

Nature Communications

研究团队通过图1所示的工艺流程，成功制备出卷状的受限拉伸MXene（CSM）纤维（图1b），并进一步将其编织成大面积的织物（图1c）。性能对比显示（图1d），所获得的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），超越了此前报道的湿纺纯MXene纤维及MXene复合纤维。同时，由CSM纤维编织的织物也表现出卓越的电磁干扰（EMI）屏蔽能力，其厚度归一化屏蔽效能（SE/t）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（图1e）。

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。第一和第四列为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）。

这种优越的微观结构直接转化为卓越的宏观性能。力学测试表明（图3a,b），CSM纤维不仅具有极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最高。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最大应力水平的关系。 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织物表现出极高的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。