仿生自修复热电气凝胶纤维：具有损伤预警功能的可穿戴温度传感新材料

推荐：为解决生物聚合物基温度传感纤维机械强度不足和环境耐受性差的问题，研究人员通过同轴湿法纺丝策略开发了具有仿生皮肤特性的自修复热电(STDF)气凝胶纤维。该纤维具备核壳异质结构，实现了97.51%的水响应自修复效率和可视化损伤定位功能，在100-500°C范围内表现出优异的温度传感性能，为可穿戴电子设备的可靠性提供了新思路。

　　

在可穿戴电子设备快速发展的今天，生物聚合物基温度传感纤维因其环保特性备受关注。然而，这类材料面临机械鲁棒性不足和环境耐受性差的瓶颈问题——反复弯折会导致导电通路中断，极端环境下功能易失效。更棘手的是，传统自修复材料往往无法实现损伤的早期预警，微裂纹的扩展可能引发灾难性后果。这就像人体皮肤受伤后若不能及时感知和修复，伤口会持续恶化。

受此启发，国内研究人员在《Journal of Materials Science》发表了一项突破性研究。他们通过创新的同轴湿法纺丝技术，将刚性Ti₃C₂T_x MXene嵌入柔性热塑性聚氨酯(TPU)形成导电核层，同时利用氧化海藻酸钠(OSA)、丝胶蛋白(SS)和单宁酸(TA)构建具有动态希夫碱键和氢键网络的自修复壳层，开发出兼具损伤预警和自修复功能的仿生热电(STDF)气凝胶纤维。

研究团队主要采用三项关键技术：1) 微流控辅助同轴湿法纺丝构建核壳结构；2) 通过Fe²⁺/1,10-菲啰啉(Phen)显色反应实现可视化损伤定位；3) 热重分析结合Kissinger动力学方法评估材料热稳定性。

研究结果揭示：
3.1 仿生STDF纤维的设计构建
成功制备直径约1.16 mm的核壳纤维，壳层孔隙率显著(比表面积13.14 m²/g)，MXene/银纳米线(Ag NWs)构成的三维导电网络使核层电阻变化率<9.6%。

3.2 形态与结构特征
XPS证实壳层中C=N键(285.8 eV)存在，TA交联使纤维拉伸强度达7 MPa，应变能力高达1250%，远超同类自修复纤维。

3.3 损伤预警与自修复性能
Fe²⁺/Phen显色反应实现秒级损伤可视化，动态键网络使24小时室温自修复效率达97.51%，5次修复循环后仍保持86.96%效率。

3.4 阻燃与热稳定性
极限氧指数(LOI)达29.8%，热释放速率峰值(pHRR)仅73.59 W/g，Flynn-Wall-Ozawa法计算的活化能高达332.70 kJ/mol。

3.5 温度传感特性
在ΔT=100K时输出功率15.34 μW，线性拟合关系U=0.13113ΔT+0.00785(R²=0.99817)，集成到芳纶织物(SFET)后能在1.3秒内触发高温警报。

这项研究通过仿生策略解决了可穿戴传感器的耐久性难题：如同皮肤般的损伤预警机制实现了早期干预，多重动态键网络赋予材料近乎完美的自修复能力，而核壳结构设计则平衡了导电性与环境耐受性。特别值得注意的是，该材料在200次弯曲后电阻变化<9.7%，且阻燃性能优于多数生物基气凝胶纤维，这使其在消防防护等领域展现出独特优势。研究者进一步开发的SFET纺织品集成多级无线报警系统，标志着可穿戴温度传感技术向实用化迈进的关键突破。