《Nature Communications》客户论文精选|面向水伏柔性电子器件的气-液两相流纺丝方法
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作者:锐视医疗
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发布时间: 2025-05-28
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恭喜中国科学院上海硅酸盐研究所/东华大学刘宣勇研究员团队在可再生能源创新材料领域的研究成果《Gas-liquid two-phase bubble flow spinning for hydrovoltaic flexible electronics（面向水伏柔性电子器件的气-液两相流纺丝方法）》在学术期刊《Nature Communications》（IF：14.7，中科院一区top期刊）发表。锐视科技的Micro-CT成像系统（IMAGING 100）在研究中对新型水电纤维材料进行了超高分辨率的三维结构成像与精细形貌分析，有效揭示了其内部微观结构特征。
中国科学院上海硅酸盐研究所/东华大学刘宣勇研究员团队在可再生能源创新材料领域的研究成果《Gas-liquid two-phase bubble flow spinning for hydrovoltaic flexible electronics（面向水伏柔性电子器件的气-液两相流纺丝方法）》在学术期刊《Nature Communications》（IF：14.7，中科院一区top期刊）发表。锐视科技的Micro-CT成像系统（IMAGING 100）在研究中对新型水电纤维材料进行了超高分辨率的三维结构成像与精细形貌分析，有效揭示了其内部微观结构特征。
无需化学反应，仅通过吸收或传输自由水即可发电的水伏（Hydrovoltaic）技术，已被视为可再生能源的潜力候选方案。包括水伏纤维在内的自供能柔性传感器，正逐渐成为可再生能源领域的重要研究方向。特别是在可穿戴能源供给和生理信号感知领域，如何在纤维尺度实现结构与功能的深度耦合，仍是当前亟待解决的关键难题。
在这篇文章中，研究团队提出一种受蜘蛛“多模态界面变形”纺丝启发的气-液两相流纺丝方法，利用气泡诱发的纺丝液变形来制备空腔、纺锤、锯齿等复杂结构纤维。这些结构可改变水的吸附与传输行为，使其适用于能源与传感领域中水伏器件的定向应用。作者设计了海藻酸钠为顺序桥接的MoS₂作为纺丝液，通过气-液两相流纺丝方法制备成型纤维，可应用于多种水伏场景。所获得的纤维具有2.18 mW/cm³的功率密度，能够在2.1 V电压下稳定运行43小时，其湿度响应灵敏度为9.36 mV/RH%/s。这些特性有助于智能口罩在鼻周期监测、诊断与治疗等潜在应用中的发展。该纺丝工艺亦可扩展至羧甲基纤维素、聚乙烯醇等材料，激发了结构响应型水电材料的设计灵感，推动了纺织电子学的发展。
两相流纺丝方法用于制备多形态功能纤维的示意图
这项研究设计了一种模拟蜘蛛多样化纺丝能力的气体辅助湿纺系统（图S12）。具体而言，在气液比（Qg/Ql）为0时，形成的是传统的圆柱形纤维。当Qg/Ql增加至88时，诱导形成具有中空连接部的水合微纤维，称为“空腔纺锤结（CSK）”纤维（图S13A–C）。进一步将Qg/Ql提升至107，会触发段塞气泡的形成，生成分段的凝胶纤维，干燥后形成“实心纺锤结（SSK）”纤维。当Qg/Ql达到136.6时，环状射流产生具有内凹棘齿结构（CRT）的纤维（图S13D–F）。
图S12：(A) 气-液两相流纺丝方法制备多形态纤维的示意图。(B) 气-液两相流纺丝凝胶原液的制备过程，以及利用两相气泡流动模式，通过BTSLD纺丝方法制备多形态纤维的过程。(C) 气-液两相流纺丝平台的示意图和实物照片。下方为推进泵及卷绕装置的示意图及实物照片。
图S13：（A–C）空腔纺锤结（CSK）纤维轴向截面的扫描电子显微镜（SEM）图像。（D–F）凹槽棘齿（CRT）纤维轴向截面的扫描电子显微镜（SEM）图像。图（C）和（F）中的插图为使用锐视科技Micro-CT（型号：IMAGING 100）获得的纤维三维结构图像。
锐视科技Micro-CT成像系统（型号：IMAGING 100）
https://doi.org/10.1038/s41467-025-59585-6
