具有拓扑结构的超高弹性导电木质素基气凝胶，用于超灵敏压阻传感器、心跳监测及油水分离

《Journal of Materials Science & Technology》：Ultra–high elastic conductive lignin–based aerogel with topological structure for hypersensitized piezoresistive sensor, heartbeat monitoring and oil–water separation

碱木质素与聚乙烯醇、甲基三甲氧基硅烷复合构建超弹性导电多孔材料系统，通过定向冷冻形成层状拓扑结构，实现高灵敏度（80%应变）、抗疲劳（10万次压缩）压力传感功能及优异油吸附性能（19.1-51.5 g/g），为木质素基智能材料开发提供新策略。

　　本研究聚焦于木质素基功能材料的发展，特别是针对其在柔性压阻传感器中的应用。木质素作为一种天然存在的高分子材料，因其丰富的结构和可再生性，被视为构建高性能传感材料的重要资源。然而，木质素在实际应用中面临诸多挑战，如其刚性和脆性限制了其在需要高弹性的材料中的使用。因此，如何有效提升木质素的弹性，同时保持其导电性和结构稳定性，成为当前研究的热点。

为了解决这一问题，研究团队提出了一种创新性的策略，成功制备了一种具有超弹性特性的导电木质素基多孔系统。该系统采用了一种独特的“柔性-刚性-柔性”层状拓扑结构，使得材料在承受压力时能够表现出优异的应力分散和恢复能力。这种结构不仅提高了材料的机械性能，还赋予其良好的导电性，使其能够应用于高精度的压阻传感。此外，该系统在高弹性和高灵敏度方面表现突出，能够检测到微弱的形变，如手腕脉搏，从而拓展了其在智能传感领域的应用潜力。

研究团队通过简单的复合和定向冷冻技术，构建了这种新型的木质素基多孔系统。具体而言，碱性木质素（AL）作为刚性骨架，通过氢键与聚乙烯醇（PVA）结合，形成“刚性层”。随后，该“刚性层”被柔性甲基三甲氧基硅烷（MTMS）包裹，从而构建出“柔性-刚性-柔性”夹层结构。在此基础上，聚（3,4-乙二氧噻吩）@聚苯乙烯磺酸（PEDOT@PSS）通过静电吸附均匀分布，形成一个稳定的导电网络。这种结构的有序排列，使得材料在压缩后能够迅速恢复，展现出高达98.6%、92.1%和76.4%的压缩恢复率，分别对应于超过200次、1000次和10000次压缩循环。

这种材料不仅在机械性能上表现出色，还在导电性和压阻特性方面具有显著优势。其压阻传感性能可达到80%的应变范围，同时在多次压缩循环后仍能保持高度的传感稳定性。这意味着该材料在长期使用中不会因疲劳而降低性能，从而为柔性压阻传感器的开发提供了新的思路。此外，该系统具有极高的孔隙率，使其在吸附性能方面也表现出色，能够高效吸附多种类型的油品，吸附效率高达19.1至51.5 g/g，并且在10次循环后仍能保持良好的吸附能力，仅出现6.96%的性能下降。

从材料科学的角度来看，木质素的多孔结构和丰富的活性官能团使其在构建高性能传感器和吸附材料方面具有天然优势。然而，木质素的非线性分子结构和刚性特性限制了其在需要高弹性的材料中的应用。为此，研究团队提出了一种简单而高效的方法，通过复合和定向冷冻技术，将木质素与PVA和MTMS结合，形成具有高度弹性和导电性的多孔系统。这种方法不仅避免了复杂的化学修饰和精确的接枝过程，还提高了材料的制备效率和性能表现。

该研究的创新之处在于，通过简单的物理方法，而非传统的化学接枝，实现了木质素的弹性增强。这为木质素基材料的开发提供了一种新的路径，使其能够更好地应用于智能传感和吸附领域。同时，该方法在材料制备过程中减少了对环境的影响，符合当前绿色材料科学的发展趋势。

在实际应用中，这种新型的木质素基多孔材料可以广泛用于智能传感设备、可穿戴电子产品以及环境治理领域。例如，在智能机器人和人工智能系统中，这种材料可以作为柔性传感器，实时监测外部环境的变化。在可穿戴设备中，它可以用于检测人体的微小运动，如手腕脉搏，从而实现健康监测和运动分析。在环境治理方面，由于其高孔隙率和良好的吸附性能，该材料可以用于处理水中的有机溶剂和油污染，具有重要的应用价值。

此外，该材料的高弹性和导电性使其在极端环境下仍能保持稳定的性能。例如，在高温、高湿或高盐度的环境中，这种材料依然能够有效地进行压阻传感，显示出其良好的环境适应性。这使得它在海洋监测、航空航天和工业自动化等领域具有广阔的应用前景。

从研究团队的角度来看，该研究不仅在材料科学领域取得了突破，还为木质素的高值化利用提供了新的思路。木质素通常被视为森林化学工业的副产品，其主要用途是作为燃料，经济价值较低。然而，通过合理的结构设计和材料处理，木质素可以被赋予新的功能，成为高性能传感和吸附材料的重要组成部分。这不仅提高了木质素的利用率，还为生物质资源的可持续开发提供了支持。

在材料的制备过程中，研究团队采用了定向冷冻技术，使得材料的结构更加有序。这种技术不仅提高了材料的机械性能，还使其在吸附性能方面表现出色。同时，该方法的简单性和高效性，使得材料的制备过程更加环保和经济，符合当前材料科学的发展需求。

综上所述，本研究通过创新性的策略，成功制备了一种具有超弹性特性的导电木质素基多孔系统。该系统在机械性能、导电性和压阻特性方面表现出色，能够满足高性能传感和吸附材料的需求。同时，该材料的高孔隙率和良好的吸附性能，使其在环境治理领域具有重要应用价值。本研究为木质素的高值化利用和智能传感材料的发展提供了新的思路和方法，具有重要的科学和工程意义。