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  纖維素納米晶（cellulose nanocrystal，CNC）憑借不對(duì)稱(chēng)結(jié)晶結(jié)構(gòu)中極性基團(tuán)的右旋分布，及“分子內(nèi)/分子間/晶粒間/顆粒間”多級(jí)氫鍵網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)的極化電場(chǎng)長(zhǎng)程有序性，奠定了力電轉(zhuǎn)換功能的物質(zhì)基礎(chǔ)與微觀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，顯示出用作壓電納米發(fā)電機(jī)（PENG）和摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）基礎(chǔ)材料的潛力。同時(shí)，CNC剛棒形貌、表面活性、高比表面積等本征特點(diǎn)還為其作為力電轉(zhuǎn)換材料構(gòu)筑基元提供了更多優(yōu)勢(shì)。CNC一維棒狀不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的剛性短直特點(diǎn)能設(shè)計(jì)通過(guò)調(diào)控組裝形成取向陣，可望實(shí)現(xiàn)相對(duì)于短棒本身更長(zhǎng)程的有序結(jié)構(gòu)，進(jìn)而同步消除其尺寸多分散性導(dǎo)致的壓電響應(yīng)不均一問(wèn)題，增強(qiáng)電傳輸性能的穩(wěn)定性；高比表面積及表面富含活性羥基可促進(jìn)其與相適配的聚合物基體形成有序氫鍵或化學(xué)反應(yīng)引入電負(fù)性大原子與高極性分子結(jié)構(gòu)，增加方向偶極子，提升表面極化率促進(jìn)力電轉(zhuǎn)換效率。另一方面，CNC的生物質(zhì)來(lái)源可再生性符合材料生物基化的可持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)并顯示出碳足跡優(yōu)勢(shì)，針對(duì)人體可穿戴器件還能滿足生物相容性的要求。這些優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)奠定了CNC用作生物基力電轉(zhuǎn)換材料的核心價(jià)值，可無(wú)需改變現(xiàn)行材料類(lèi)型用作填料增強(qiáng)力電轉(zhuǎn)換性能，也能作為本征壓電和摩擦電活性基體。其中，CNC氣凝膠憑借輕質(zhì)、多孔結(jié)構(gòu)、高比表面積以及儲(chǔ)能等結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)，成為輕質(zhì)便攜可穿戴設(shè)備的主要材料結(jié)構(gòu)形式。但與其它纖維素基多孔材料應(yīng)用于自供能力電傳感器的情況類(lèi)似，還亟需解決氣凝膠孔壁內(nèi)應(yīng)力傳遞均一性問(wèn)題并強(qiáng)化力電耦合功能，由此突破自極化瓶頸并提高傳感靈敏度和輸出電壓等關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)。此時(shí)負(fù)泊松比（negative Poisson''s ratio，NPR）孔隙憑借拉脹特性，針對(duì)能量吸收、能量富集、吸音降噪、力電傳感等應(yīng)用場(chǎng)景顯示出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在航天航空、運(yùn)動(dòng)裝備、保護(hù)裝備、人造肌肉、軟體機(jī)器人、結(jié)構(gòu)材料、智能材料等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。由此，利用NPR結(jié)構(gòu)賦能CNC氣凝膠的力學(xué)與力電耦合特性，可望成為突破現(xiàn)有傳統(tǒng)內(nèi)空結(jié)構(gòu)CNC基氣凝膠的傳感器應(yīng)用瓶頸的有效手段。

圖1 CNCs負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)氣凝膠的雙軸壓縮制造過(guò)程示意圖.

圖2 CNC基氣凝膠力電功能材料經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)混合連接針對(duì)不同類(lèi)型運(yùn)動(dòng)模式的輸出電壓：（a）手指敲擊、（b）拇指按壓、（c）手拍擊、（d）拳敲擊、（e）膝蓋彎曲、（f）腳踝旋轉(zhuǎn)、（g）踏步走.

  該工作以“Negative Poisson’s Ratio in Cellulose Nanocrystal Aerogels for Enhanced Sports Piezoelectric Sensing” 為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊，西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院研究生李淑芳、陳維維、劉暢從原理探索、器件制備、驗(yàn)證評(píng)價(jià)等方面做出獨(dú)特貢獻(xiàn)同為共同第一作者，西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院軟物質(zhì)材料制造重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃進(jìn)教授和甘霖教授為通訊作者。該成果獲國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目（2021YFB3702800）、國(guó)家自然科學(xué)國(guó)家科學(xué)基金面上項(xiàng)目（52373106）、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（SWU-KT23004、SWU-XDJH202314）、重慶市高校創(chuàng)新研究群體（CXQT19008）和重慶英才計(jì)劃（CQYC201903243）、軟物質(zhì)材料制造重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（20220001）等多個(gè)項(xiàng)目的資助。