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  生物質(zhì)納米流體材料因其良好的生物相容性和離子選擇性傳輸特性，在健康監(jiān)測和能量收集領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛。纖維，作為連續(xù)且柔性的材料形式，在智能可穿戴傳感織物方面具備天然優(yōu)勢。近年來，納米流體纖維在力學(xué)性能、取向結(jié)構(gòu)、能量收集效率和穩(wěn)定性上取得了顯著進(jìn)展，然而，纖維的納米通道結(jié)構(gòu)通常通過濕加捻、壓縮、牽伸、結(jié)構(gòu)封裝等后處理方法實(shí)現(xiàn)。因此，如何通過紡絲過程一步實(shí)現(xiàn)具有致密化空間結(jié)構(gòu)的納米流體纖維制備仍需深入研究。

  為此，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)葉冬冬教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南開大學(xué)劉遵峰教授團(tuán)隊(duì)、中國藥科大學(xué)周湘教授、浙江大學(xué)朱書澤教授等開發(fā)了一種創(chuàng)新的、可擴(kuò)展的紡絲流程。該工藝結(jié)合了微流控紡絲技術(shù)和不對稱流場來控制帶負(fù)電荷的海藻纖維素納米纖維（CNFs）的組裝，創(chuàng)造了一種新型扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)海藻纖維（扭轉(zhuǎn)纖維）。這些表層扭轉(zhuǎn)的纖維具有高的堆積密度（1.47 g cm^-3），機(jī)械性能（468.5 MPa）和取向（f_c = 0.89）。值得注意的是，它們表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性離子傳輸能力和滲透能量收集性能。研究表明，通過控制微流控紡絲系統(tǒng)中的不對稱流體動力學(xué)，可以精確地操縱CNFs的空間分布，從而設(shè)計(jì)出不同捻度結(jié)構(gòu)的纖維。與傳統(tǒng)的濕紡纖維相比，這些扭曲纖維具有直徑更小、填充密度更高、機(jī)械性能更強(qiáng)、取向更強(qiáng)、離子傳輸和滲透能量收集能力更強(qiáng)的特點(diǎn)。這種革命性的扭轉(zhuǎn)纖維將引領(lǐng)可穿戴設(shè)備、功能性紡織品和智能醫(yī)療領(lǐng)域的新趨勢。它們可以集成到自供電的嬰兒尿液監(jiān)測裝置中，準(zhǔn)確地檢測排尿和運(yùn)動，當(dāng)尿飽和時發(fā)出警報(bào)，從而大大提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。該研究以題為“Customizable Twisted Nanofluidic Cellulose Fibers by Asymmetric Microfluidics for Self-Powered Urine Monitoring”的論文發(fā)表在最新一期的Advanced Functional Materials上。第一作者為碩士生林澤婉和博士后傅曉童。通訊作者為安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)葉冬冬教授和中國藥科大學(xué)周湘教授。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)為第一完成單位。

【自加捻納米流體纖維的制備及表層扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)對纖維性能的貢獻(xiàn)】

圖1. 自加捻纖維素納米流體纖維的制備流程、結(jié)構(gòu)及性能比較

【納米流體纖維的制備機(jī)理、結(jié)構(gòu)調(diào)控和性能】

圖2.扭轉(zhuǎn)纖維和取向纖維的結(jié)構(gòu)、性能、形成及形變機(jī)制探究

【表層扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)對纖維素納米流體纖維的影響及機(jī)理】

圖3.扭轉(zhuǎn)纖維的離子運(yùn)輸性能及自供能行為探究

【基于扭轉(zhuǎn)纖維的尿液傳感系統(tǒng)的性能評價和應(yīng)用展示】

  在這項(xiàng)研究中，作者開發(fā)了一種前所未有的具有表面扭曲和內(nèi)部取向結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)海藻纖維。通過將微流控技術(shù)與復(fù)雜的非對稱流場相結(jié)合，不僅實(shí)現(xiàn)了對攜帶負(fù)電荷海藻纖維素納米纖維（CNFs）組裝過程的精細(xì)控制，且通過表層扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，纖維直徑顯著減�。�33.6至20.4 μm），堆積密度增加（0.87至1.47 g cm^-3），斷裂應(yīng)力增強(qiáng)（468.5 MPa），赫爾曼定向參數(shù)增大（從0.77到0.89），結(jié)構(gòu)和性能方面都取得了重大進(jìn)展。此外，在50倍NaCl鹽度梯度下，具有高性能選擇性離子傳輸（7.8 mS cm^-1）和能量收集特性（12.9 W m-²），這些優(yōu)異的性能賦予了扭轉(zhuǎn)纖維在自供電監(jiān)測嬰兒尿液上的檢測靈敏度和準(zhǔn)確性。這種扭轉(zhuǎn)在離子信號傳輸和自供電傳感系統(tǒng)中的巨大潛力表明，它們將在未來的智能技術(shù)和健康監(jiān)測中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

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  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202414365