多功能纤维素纳米纤维/MXene两性离子水凝胶：兼具双模应变温度传感与高性能电磁屏蔽的创新材料

为解决柔性电子器件中电磁干扰(EMI)屏蔽材料环境稳定性差、机械性能不足的问题，研究人员通过室温催化丙烯酸与甜菜碱混合体系，开发了基于甘油-水(Gly-H2 O)二元溶剂的两性离子纤维素纳米纤维(CNF)/MXene水凝胶。该材料兼具1354%超高拉伸性、27.5 kPa强粘附力和58.1 dB EMI屏蔽效能(X波段)，突破传统水凝胶低温易冻结、易失水的技术瓶颈，为可穿戴传感器与电磁防护提供新策略。

　　

随着5G时代物联网(IoT)设备的普及，电磁污染已成为威胁电子设备安全与人体健康的重要问题。传统电磁屏蔽材料如金属薄膜存在刚性大、生物相容性差等缺陷，而基于水凝胶的柔性材料又面临低温冻结、水分蒸发导致的性能衰退难题。这一矛盾严重制约了可穿戴电子设备的发展。针对这一挑战，北京林业大学等机构的研究人员创新性地将二维MXene纳米片与两性离子聚合物网络结合，开发出兼具环境稳定性和多功能特性的智能水凝胶，相关成果发表于《Journal of Materials Science》。

研究团队采用三大关键技术：1) 室温催化聚合构建CNF/MXene/PEDOT:PSS多网络结构；2) Gly-H₂
O二元溶剂体系优化；3) 应变-温度双模传感性能测试体系。通过调控甘油含量(20-60 wt%)实现冰点降至-40℃的同时保持高介电损耗特性。

【材料设计与表征】
通过TEMPO氧化CNF与TA修饰MXene的协同作用，形成具有分级孔结构的交联网络。流变测试显示储能模量(G')达12.5 kPa，MXene的催化作用使凝胶时间缩短至8分钟。

【机械与粘附性能】
引入PEDOT:PSS使拉伸强度提升300%至0.19 MPa，断裂能达1.8 MJ/m³
。TA提供的酚羟基使水凝胶对木材粘附强度达27.5 kPa，远超同类材料。

【环境稳定性】
40% Gly-H₂
O体系在-20℃仍保持弹性，90天后水分保留率>85%，解决了传统水凝胶易失水硬化的痛点。

【传感性能】
应变传感系数(GF)达4.81(50-300%应变区间)，温度灵敏度达1.12%/℃(25-50℃)，成功应用于指关节运动监测与摩尔斯电码识别。

【EMI屏蔽机制】
MXene的二维结构形成导电网络，界面极化效应使电磁波吸收占比达67%，X波段(8.2-12.4 GHz)屏蔽效能达58.1 dB，优于多数报道的柔性屏蔽材料。

该研究开创性地将两性离子化学与纳米复合材料设计相结合，不仅解决了水凝胶环境稳定性的世界性难题，更实现了"传感-屏蔽"双功能集成。其室温制备工艺易于放大生产，为智能可穿戴设备提供了革命性材料解决方案。特别值得注意的是，通过Gly-H₂
O比例调控平衡导电性与抗冻性的方法，为极端环境应用提供了普适性设计范式。这项工作标志着柔性电子材料从单一功能向多功能协同的重大跨越，对医疗监测、军事隐身等领域具有深远影响。