林科院王小青等：高弹导电层状木海绵的构筑及其智能多功能应用

中国林业科学研究院木材工业研究所王小青研究员团队提出一种可持续的“自上而下”细胞壁重构策略，可直接从天然轻木中制备出高弹性、抗疲劳且具有良好导电性的层状木材海绵。该策略包括在微米尺度将木材细胞结构转化为拱形层状以实现高压缩性，并在纳米尺度通过化学交联增强层内纤维连接，从而保障高弹性与抗疲劳性。随后，通过原位聚合法在层状骨架上涂覆聚吡咯涂层，使交联木材海绵获得良好导电性。得益于细胞壁重构策略，所得聚吡咯包覆木材海绵(CWS@PPy)表现出可逆压缩性与优异的抗疲劳性能。值得注意的是，由于压缩引起的微观结构变化及相应导电路径的改变，CWS@PPy的电导率可通过压缩应变实现动态调控。这一压敏特性使其电磁干扰屏蔽性能具备可调性，能够实现高屏蔽与低屏蔽状态之间的可逆切换；同时在压力传感方面表现出高灵敏度和良好的工作稳定性。基于其有序层状孔道结构，CWS@PPy在垂直于层状方向的热导率低至0.037 W m?1 K?1，且该热导率可通过压缩进行动态调节，从而实现可定制的热管理。本研究提出了一种创新的自上而下制备策略，可用于构建具有高压缩弹性、优异抗疲劳性能和可调导电性的各向异性层状CEMs，为面向智能多功能应用的材料设计提供了新思路。

I CWS@PPy的制备及表征

CWS@PPy的制备概括为一个“自上而下结构构筑+原位导电聚合”的过程。首先，以轻木为原料，通过化学方法去除其中的木质素和半纤维素，保留纤维素骨架，并破坏细胞壁结构，使其形成疏松多孔的三维网络。随后引入交联剂BTCA与纤维素发生酯化反应，并通过冷冻干燥固定结构，得到具有拱形层状结构的纤维素木材海绵(CWS)。在此基础上，将CWS浸渍于FeCl?溶液中，使Fe3?与骨架中的羧基发生络合，不仅提升结构稳定性，同时为后续反应提供活性位点。接着引入吡咯单体，在FeCl?的氧化作用下于骨架表面原位聚合生成聚吡咯(PPy)，并实现均匀包覆。最终获得的CWS@PPy材料在保持轻质多孔结构的同时，构建了连续的导电网络，兼具良好的结构稳定性和电学性能。

图1. 通过细胞壁重构实现高弹性和导电性的层状木材海绵的示意图。

II CWS@PPy优异的压缩弹性及抗疲劳性能

CWS@PPy展现出优异的力学性能。在垂直层状方向上，其可承受高达70%的压缩应变，并在应力释放后完全恢复至初始高度，体现出卓越的可压缩性与弹性(图2a)。即使在60%压缩应变下，材料仍可实现完全弹性恢复，且未观察到任何结构损伤(图2b、c)。此外，CWS@PPy表现出显著的力学各向异性：沿层状方向可承受高达自身重量1000倍的载荷而不发生形变(图2d)。在循环稳定性方面，经过10,000次压缩循环后，CWS@PPy仅产生约3.5%的塑性形变，同时仍能保持超过85%的最大应力，展现出卓越的抗压疲劳性能(图2f)。其性能水平可媲美甚至优于目前报道的大多数陶瓷基、合成聚合物基、碳基及纳米纤维素基三维弹性气凝胶或泡沫材料(图2g)。在动态力学响应方面，基于经典落球冲击测试计算得到其回弹速率约为1100 mm s?1，明显优于多数已报道的碳基、聚合物基及纤维素基气凝胶或泡沫材料(图2i)，表明其在动态载荷条件下具备优异的力学韧性与能量恢复能力。此外，动态力学分析结果表明，在?70至90 ℃的宽温区间内，CWS@PPy的储能模量、损耗模量及阻尼因子基本保持稳定，体现出优异的热–力学稳定性。即使在极端低温(?196 ℃，液氮环境)下，材料仍能保持良好的压缩弹性；同时，在水饱和状态下，CWS@PPy在50%压缩应变下循环20次后仍可完全恢复至初始高度，显示出优异的湿态稳定性。

图2. CWS@PPy的力学性能。

III CWS@PPy可切换电磁干扰屏蔽性能

CWS@PPy依托其独特的拱形层状结构与优异导电性，展现出卓越的电磁干扰(EMI)屏蔽性能，并具有明显的结构-性能协同效应。其高效屏蔽能力源于足够的PPy负载在纤维素骨架上构建了高度互联的三维导电网络。研究表明，CWS@PPy的屏蔽机制具有显著的PPy负载依赖性：当PPy负载量较低(<8 wt%)时，以吸收为主(A>0.5>R)；而当负载量较高(>8 wt%)时，则转变为以反射为主(R>0.5>A)(图3e)。得益于其优异的压缩弹性与应变敏感导电性，CWS@PPy还表现出可调控的EMI屏蔽特性，在压缩过程中其总屏蔽效能(SET)随应变发生显著变化，并与PPy负载量密切相关(图3f)。在反复压缩-回弹过程中，SET值可在高屏蔽态(约75 dB)与低屏蔽态(约34 dB)之间实现稳定、可逆切换，且未出现明显性能衰减(图3g)。综合来看，其优异的EMI屏蔽性能(>70 dB)及应变可控切换特性来源于多重协同机制：包括空气-材料界面阻抗失配引发的初始反射、导电网络中电子迁移/跳跃产生的欧姆损耗、导电差异及Cl?掺杂带来的界面与偶极极化增强效应，以及拱形层状结构内部多重反射与散射对电磁波的进一步衰减。

图3. CWS@PPy的电磁干扰屏蔽性能及作用机理。

IV CWS@PPy的压力传感性能

基于其应变敏感的导电特性，CWS@PPy在压阻式传感领域展现出广阔的应用潜力(图4a)。将其与发光二极管(LED)串联并施加3V电压后，LED亮度可随材料压缩形变发生明显变化，直观验证了其优异的压阻响应特性(图4b)。在恒定3V电压下，传感器电流在加载过程中迅速上升，并在卸载后快速恢复至初始状态，表现出良好的应变依赖性与可逆性(图4c)。同时，在?0.5~0.5V电压范围内，不同应变条件下的电流–电压(I–V)曲线均呈现良好的线性欧姆行为，表明器件在不同压缩状态下具备稳定的电学响应(图4d)。相对电阻变化率(ΔR/R0)随外加压力和应变的变化关系进一步表明该传感器具有高灵敏度(图4e)，其压力灵敏度可达0.72 kPa?1，优于大多数已报道的海绵或泡沫基压阻传感器(图4f)。在40%应变条件下进行8000次循环加载–卸载测试过程中，传感器的电流响应始终保持稳定，且几乎不受加载频率影响，体现出优异的循环稳定性与可靠性(图4g、h)。在实际应用中，当传感器贴附于手指关节处时，可对不同弯曲角度实现实时监测，并输出清晰且高度可重复的电流信号(图4i)。除大幅度肢体运动外，将其固定于喉部还可灵敏捕捉吞咽等细微生理活动(图4j)；同时，对于“木材海绵”“聚吡咯”等发音过程，传感器亦能产生可区分且稳定的响应信号(图4k)。上述结果表明，CWS@PPy作为一种兼具高灵敏度与高稳定性的压阻传感材料，在人体运动与健康监测等领域具有重要应用前景。

图4. CWS@PPy的压力传感性能表征。

王小青

本文通讯作者

中国林科院木工所 研究员

▍主要研究领域

主要从事木材改性以及木质先进功能材料研究。

▍主要研究成果

中国林业科学研究院木材工业研究所研究员，博士生导师。瑞士联邦材料科学与技术研究所(EMPA)博士后，德国马普学会胶体与界面研究所、瑞士联邦理工学院(ETH)访问学者。担任《木材科学与技术》副主编，《林业科学》、《林业工程学报》青年编委，中国林学会木材科学分会委员，中国造纸学会纳米纤维素及材料专业委员会委员。先后主持承担国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、国家留学基金等项目10余项。在Nano-Micro Lett.、ACS Nano、Carbohydr. Polym.、ACS Sustain. Chem. Eng.等期刊发表论文50多篇；获国家科技进步二等奖、北京市科学技术奖、梁希林业科学技术奖、茅以升木材科学技术奖等奖项；入选国家林草局“百千万人才工程”省部级人选以及2023-2025年“全球前2%顶尖科学家”榜单。

▍Email：wangxq@caf.ac.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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