生物质纳米流体资料由于其生物相容性和离子选择性传输行为，在健康监测和能量网络方面拥有宽泛的利用。出格是纤维作为一种陆续且拥有柔性的资料大局，在智能可穿戴传感织物中拥有天然优势。近年来，纳米流体纤维在机械机能、取向排劣注能量网络效能和结构不变性方面获得了沉猛进展。然而，纤维自身的通路结构仍需通过湿加捻、压缩等后处置进行致密化。因而，若何通过一体化设计实现拥有致密空间结构的纳米流体纤维仍需进一步索求。

安徽农业大学叶冬冬教授团队与南开大学刘遵峰教授和中国药科大学周湘教授合作，开发了一种创新且可扩大的流程。这一工艺结合微流控纺丝技术和不合称流场，节造带负电荷的海藻纤维素纳米纤维（CNFs）的组装，创造出新型旋转结构的海藻纤维。旋转纤维拥有高堆积密度（1.47 g/cm?）、优异的力学强度（468.5 MPa）和高取向（fc = 0.89）。它们阐发出卓越的选择性离子传输能力和渗入能量网络机能。钻研批注，通过节造微流控纺丝系统中的不合称流体动力学，能够精确把持CNFs的空间散布，从而设计出分歧捻度结构的纤维。与传统湿纺纤维相比，这些旋转纤维拥有更幼的直径、更高的填充密度、更强的机械机能和取向，以及更优的离子传输和渗入能量网络能力。这种革命性的旋转纤维将引领可穿戴设备、职能性纺织品和智能医疗领域的新趋向。它们可集成到自供电的婴儿尿液监测装置中，正确检测排尿和活动，并在尿液鼓和时发出警报，大大提高监测的正确性和实用性。

该钻研以“Customizable Twisted Nanofluidic Cellulose Fibers by Asymmetric Microfluidics for Self-Powered Urine Monitoring”为题颁发在《Advanced Functional Materials》期刊上。

自加捻纳米流体纤维的造备及表层旋转结构对纤维机能的贡献

在这项钻研工作中，通过空间高度不合称芯片在微流控纺丝过程中所形成的涡流，对芯层通路表层的海藻纤维素纳米纤维进行旋转加捻，从而纺造出了拥有表层旋转内层轴向取向的海藻纤维素纳米流体纤维。值妥贴心的是，表表拥有旋转结构的纤维展示出全面优于对称芯片获得的内表轴向取向的海藻纤维素纳米流体纤维，且旋转纤维高的离子电导率展示了其在传感监测上的利用远景。

图1. 自加捻纤维素纳米流体纤维的造备流程、结构及机能比力

纳米流体纤维的造备机理、结构调控和机能

此表，作者通过SEM对两种芯片纺造得到纤维的表表及截面描摹进行了表征，明确了旋转纤维和取向纤维的分列结构，这与后续的纺丝过程中纤维形成的有限元仿照了局一致。旋转纤维由于自加捻，其纤维素堆积密度更高，CNF分列越发缜密，从而展示出更高的取向度、断裂应力。分子动力学了局批注，旋转纤维表表的旋转角在受到表力时，起到衔接作用，能够耗散表力，从而阐发为更高的断裂应变。同时，在尝试过程中，通过扭转鞘层溶液的流速能够对旋转纤维表表的旋转角进行调控，纤维的机械机能也随着旋转角度的增大而增大。

图2. 旋转纤维和取向纤维的结构、机能、形成及形变机造探索

表层旋转结构对纤维素纳米流体纤维的影响及机理

纳米流体纤维蕴含高度定向和带电的纳米通路，能够未来自盐度梯度的吉布斯自由能转化为电能，从而在盐度环境中实现自供电传感。与取向纤维相比，旋转纤维的VOC和ISC普遍加强，批注离子导体中拥有一样电荷的有序离子通路进一步提高了输出机能。不合称流动介导的旋转纤维显示出更缜密的堆叠纳米结构，与一样前提下的取向纤维相比，加强了能量网络（图3f）。为了进一步证明旋转纤维的自供电成效，设计了一个由多个基于旋转纤维的单元串联组成的渗入收成转换系统。了局批注，串联单元能够驱动推算器和LED灯(图3h)。

图3. 旋转纤维的离子运输机能及自供能行为探索

基于旋转纤维的尿液传感系统的机能评价和利用展示

最后作者利用旋转纤维在低浓度下仍拥有的高的离子电导率以及自供电机能，搭建了一个幼型电化学工作站，将其集成到纸尿裤上监测婴儿的排尿。经过测试观察，这种以旋转纤维为主题的传感装置能够分辨婴儿的排尿及活动行为引起的电流变动，且在纸尿裤鼓和时，提醒进行尿布更换。

图4. 以旋转纤维为主题的尿液传感监测系统在自供能传感方面的利用

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202414365

起源：高分子科学前沿