软硬异质界面工程构建超导电、耐用、多功能的纳米纤维膜用于智能电子器件

本文提出了一种创新的软-硬异质界面工程策略，通过构建具有层级协同结构的纳米纤维膜，成功解决了导电纤维复合材料(CFCs)在电导率(高达4814.78±523.89 S/cm)、界面稳定性和多功能集成之间的长期矛盾。该设计采用聚多巴胺(PDA)功能化纳米纤维作为柔性软核，原位生长的银纳米颗粒(AgNPs)形成刚性导电壳层，并通过聚乙烯吡咯烷酮(PVP)介导的N-Ag配位增强界面结合。独特的超声场诱导拓扑烧结技术将Fe3O4纳米颗粒锚定在AgNPs表面，形成多尺度软-硬异质界面，使材料兼具优异的电磁干扰(EMI)屏蔽效能(92.95 dB)和高灵敏度应变传感性能(应变系数=820)。这项研究为下一代集健康监测、热调节和电磁防护于一体的智能纺织品提供了创新解决方案。

　　

Highlight

本研究通过创新的多界面架构工程策略，构建了具有层级结构的导电纤维复合材料(CFCs)，实现了电学性能与机械耐久性的前所未有的协同效应。与现有研究不同，我们将聚多巴胺(PDA)与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)结合构建N-Ag配位网络，实现了增强Ag⁺吸附和界面稳定的双重功能。区别于传统易分层的单相导电壳层核壳结构，我们的设计结合了PVP稳定的AgNPs壳层和超声烧结的Fe₃O₄纳米锚点，显著提高了界面耐久性。与以往简单作为机械或磁性填料的Fe₃O₄应用不同，本研究通过拓扑锚定、磁耦合和电荷重分布实现了协同框架强化。

Materials

本研究所用化学试剂均为分析纯，未经进一步纯化直接使用。热塑性聚氨酯(PU)由德国巴斯夫公司提供。硝酸银(AgNO₃)、氨水(NH₃·H₂O)和甲醇购自中国上海国药化学试剂有限公司。N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃(THF)、葡萄糖、盐酸多巴胺(DA)、三羟甲基氨基甲烷(Tris)、Fe₃O₄纳米颗粒等试剂均来自商业渠道。

Preparation, morphology and structure of the nanofiber composites

如图1a所示，我们通过精心设计的三步组装策略制备了具有优异导电性、热管理能力和机械适应性的多功能纳米纤维复合膜。图1b展示了单个聚氨酯(PU)纳米纤维在此层级构建过程中的微观结构演变。第一步是通过聚多巴胺(PDA)对电纺PU纳米纤维进行表面功能化，形成柔性核心；第二步通过PVP介导的银镜反应在纤维表面构建连续的AgNPs导电网络；第三步通过超声辅助的Fe₃O₄表面功能化，形成具有拓扑锚定效应的多尺度异质界面。

Conclusions

总之，我们通过协同制备策略开发了一种具有优异电学、热学和电磁屏蔽性能的柔性Fe₃O₄/PVP/AgNPs/PDA@PU纳米纤维复合膜。将PVP引入银镜反应前体显著增强了银离子的吸附和还原，促进了致密连续Ag导电网络的形成。超声辅助的Fe₃O₄表面功能化不仅提高了界面结合强度，还通过磁耦合效应优化了电荷传输路径。这种创新的界面工程设计策略为开发集健康监测、热调节和电磁防护于一体的智能纺织品提供了新思路。