纖維素納米晶（cellulose nanocrystal，CNC）憑借不對稱結(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”多級氫鍵網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)的極化電場長程有序性，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，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。CNC一維棒狀不對稱結(jié)構(gòu)的剛性短直特點(diǎn)能設(shè)計通過調(diào)控組裝形成取向陣，可望實現(xiàn)相對于短棒本身更長程的有序結(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)來源可再生性符合材料生物基化的可持續(xù)發(fā)展趨勢并顯示出碳足跡優(yōu)勢，針對人體可穿戴器件還能滿足生物相容性的要求。這些優(yōu)勢特點(diǎn)奠定了CNC用作生物基力電轉(zhuǎn)換材料的核心價值，可無需改變現(xiàn)行材料類型用作填料增強(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似，還亟需解決氣凝膠孔壁內(nèi)應(yīng)力傳遞均一性問題并強(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)。此時負(fù)泊松比（negative Poisson''s ratio，NPR）孔隙憑借拉脹特性，針對能量吸收、能量富集、吸音降噪、力電傳感等應(yīng)用場景顯示出獨(dú)特優(yōu)勢，在航天航空、運(yùn)動裝備、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。
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)實驗室甘霖教授和黃進(jìn)教授團(tuán)隊針對天然高分子聚集態(tài)納米結(jié)構(gòu)物質(zhì) - 纖維素納米晶開展了系統(tǒng)性研究，基于“表面化學(xué)調(diào)控豐富物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)”一托舉三“‘復(fù)合’高性能化改性界面與逾滲調(diào)控à‘組裝’取向陣列結(jié)構(gòu)單色發(fā)光à‘制造’孔結(jié)構(gòu)取向與負(fù)泊松比超構(gòu)化增強(qiáng)力電轉(zhuǎn)換傳感”材料創(chuàng)新進(jìn)階，尤以富氫鍵網(wǎng)絡(luò)利于電荷長程轉(zhuǎn)移特征的非共軛結(jié)構(gòu)生物基光學(xué)與力電功能材料研究具有特色。最近，甘霖教授和黃進(jìn)教授團(tuán)隊解鎖了NPR內(nèi)凹結(jié)構(gòu)與剛性棒狀纖維素納米晶的不對稱性跨尺度融合增強(qiáng)力電特性的密鑰，豐富了NPR結(jié)構(gòu)賦能材料裝備的應(yīng)用場景。團(tuán)隊首先探索了孔內(nèi)凹形態(tài)調(diào)控的NPR超結(jié)構(gòu)化效應(yīng)（如壓縮致密化吸能特性和結(jié)構(gòu)高不對稱性等）對CNC基多孔材料力學(xué)彈性區(qū)拓寬與介電極化強(qiáng)化的機(jī)制。以表面醛基化CNC高熱塑性動態(tài)橋接氨基封端聚乙二醇（PEG）構(gòu)筑剛?cè)岵?jì)型凝膠的化學(xué)基元，運(yùn)用冰晶生長凍干誘導(dǎo)凝膠取向致孔動力學(xué)調(diào)節(jié)定制既定取向度的孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而基于孔壁熱塑性及溫敏相變行為結(jié)合“徑向-縱向”雙軸熱壓法，建立具有各向異性NPR拉脹效應(yīng)的圖1所示孔隙不對稱內(nèi)凹化技術(shù)。針對孔隙高取向度的力電轉(zhuǎn)換增強(qiáng)與抗沖韌性損失的平衡需求，發(fā)展了NPR拉脹行為增強(qiáng)能量吸收優(yōu)勢彌補(bǔ)取向結(jié)構(gòu)降低抗沖所需分子構(gòu)象自適應(yīng)性劣勢的孔結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計制備策略。上述不對稱NPR結(jié)構(gòu)結(jié)合CNC不對稱性促進(jìn)了纖維素壓電器件的自極化，提供卓越的應(yīng)力傳遞、增強(qiáng)的機(jī)電耦合，顯著提高其壓電輸出達(dá)25.7倍。此外，壓電輸出電壓密度和d33壓電常數(shù)高達(dá).64×106 V·m-3和5.33 pC/N。具有串并聯(lián)連接的NPR氣凝膠的壓電器件表現(xiàn)出高輸出穩(wěn)定性，在監(jiān)測各種人體運(yùn)動方面具有潛在應(yīng)用（如圖2所示）。綜上，該工作建立了泊松比在-0.6 ~ -0.2范圍可調(diào)且并適配孔隙定量取向化的徑軸兩向壓縮工藝，制備了最小力梯度達(dá)0.1 N的自供能壓電傳感模塊，拓展了模塊輸出電壓非線性增強(qiáng)的串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)器件制造策略，豐富了輕質(zhì)可穿戴型人體能量收集與健康檢測設(shè)備的生物質(zhì)材料體系。
圖1 CNCs負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)氣凝膠的雙軸壓縮制造過程示意圖.
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)混合連接針對不同類型運(yùn)動模式的輸出電壓：（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、驗證評價等方面做出獨(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)實驗室黃進(jìn)教授和甘霖教授為通訊作者。該成果獲國家重點(diǎn)研發(fā)計劃青年科學(xué)家項目（2021YFB3702800）、國家自然科學(xué)國家科學(xué)基金面上項目（52373106）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（SWU-KT23004、SWU-XDJH202314）、重慶市高校創(chuàng)新研究群體（CXQT19008）和重慶英才計劃（CQYC201903243）、軟物質(zhì)材料制造重慶市重點(diǎn)實驗室開放基金（20220001）等多個項目的資助。
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