气液“纺”奇：构建水电伏特柔性电子的多元纤维世界

研究背景

水电伏特技术可通过吸收或转移自由水发电，是可再生能源领域的潜在研究方向，自驱动柔性传感器成为重要研究热点。受生物启发，如仙人掌、蜘蛛丝和猪笼草等生物结构对水分的高效收集和传输，为调控水电伏特效应提供了思路。目前，控制纤维结构和性能以实现高效水电伏特能量输出仍面临挑战，现有仿生纤维制备方法存在局限性，如表面形态单一、难以实现多模态仿生等。 

研究成果

通过吸收或转移自由水而无需化学反应来发电的水伏技术，已被视作可再生能源的潜在候选技术。包括水伏纤维在内的自供电柔性传感器，正成为可再生能源领域的一个重要研究方向。然而，由于需要调节水的运动来实现性能差异，在功能纤维中集成传感和发电功能仍然颇具挑战。在此，东华大学刘宣勇&中科院上海硅酸盐所邱家军研究员团队受蜘蛛多模态纺丝的启发，提出一种气液两相流纺丝方法，该方法利用气泡引发的纺丝液变形来制造空心、实心纺锤形和锯齿形纤维。这些结构改变了水的吸附和转移行为，使其适用于能源和传感领域的水伏器件的特定应用。由海藻酸盐桥接的MoS₂制备的成型纤维可实现广泛的水伏应用。所得纤维的功率密度为2.18毫瓦/立方厘米，能在2.1伏电压下稳定运行43小时，灵敏度为9.36毫伏/相对湿度%/秒，这使得开发用于鼻腔周期监测、诊断和治疗的智能口罩成为可能的应用方向。纺丝材料还扩展到羧甲基纤维素、聚乙烯醇等材料，为结构响应型水电材料的设计提供了思路，并推动了纺织电子学的发展。 该论文《Gas–liquid two-phase bubble flow spinning for hydrovoltaic flexible electronics》发表于Nature Communications，报道了一种气液两相流纺丝方法，可制备具有不同表面形态的多功能软纤维，在水电能和传感领域具有广泛应用潜力。

研究亮点 

1. 提出气液两相流纺丝方法，无需改变喷丝头即可制备多种形态功能纤维，克服了传统纺丝方法的局限，且成本低、工艺简单。    

2. 制备的纤维展现出卓越性能，如空心纺锤形纤维吸水率达414% ，实心纺锤形纤维集雾量为44.6 μL/mm，凹齿形纤维水传输速度达6890μm/s。SA-b-1T-MoS?纤维的e-纤维具有高功率密度2.18 mW/cm³、长发电时间（43小时）和高灵敏度（9.36mV/RH%/s）。  

3. 该纤维在能源、环境传感和生物医学等领域具有广泛应用前景，如用于制作仿生发电蜘蛛网、智能呼吸监测口罩，为可穿戴设备和远程医疗发展提供了新方向。

研究内容

气液两相流纺丝制备多结构纤维：模拟蜘蛛吐丝原理，利用气液两相流在水平管道中形成的不同流型（单气泡、段塞气泡和环形流），通过控制气液流速比，制备出空心纺锤形、实心纺锤形和凹齿形等多种形态的功能纤维。通过数值模拟揭示了气泡变形和纤维成型的动力学机制，并构建了三元相图来描述不同纤维形态与纺丝参数间的关系。   

纺丝液表征及水电伏特纤维制备：制备海藻酸钠（SA）桥接的1T-MoS?复合纺丝液，通过多种表征手段证实SA成功插层到MoS?层间，且层间距增大，材料有序度提高。将该复合纺丝液用于制备纤维，得到具有特定结构的水电伏特纤维。

纤维与水的相互作用及性能研究：研究不同结构纤维与水的相互作用，发现空心纺锤形纤维吸水性最强，实心纺锤形纤维集雾能力出色，凹齿形纤维水传输速度快。将碳纳米管纤维缠绕在制备的纤维上制成e-纤维，测试其水电伏特性能，结果表明不同结构的e-纤维在开路电压、发电持续时间和灵敏度等方面表现各异。

水电伏特发电机制及结构响应机制：探讨SA-b-1T-MoS?纤维的质子传导机制，在低湿度下主要通过质子跳跃传导，高湿度下则通过Grotthuss机制传导。研究不同纤维结构的水电伏特性能差异机制，建立等效电路模型，发现纤维结构可影响湿度梯度动力学和水迁移速率，进而影响输出电压和电流。    - **纤维的水电伏特应用**：将e-纤维应用于环境监测、人机界面和智能呼吸监测等领域。制备的仿生发电蜘蛛网可产生1.2V电力持续25小时，足以驱动计算器；集成e-纤维的智能口罩可实时监测呼吸活动，用于睡眠呼吸暂停低通气综合征的诊断和远程医疗。