受加拿大鹅羽轴启发的核壳结构气凝胶纤维：可穿戴电子器件的多功能突破

本刊推荐：本文受加拿大鹅羽轴核壳结构启发，开发了一种可扩展的同轴湿纺技术，制备出具有可设计核壳形态的聚酰亚胺（PI）封装导电Ti3C2Tx MXene核心的功能性气凝胶纤维。通过优化凝固浴乙醇-水比例调控相转化动力学，所得纤维展现出卓越的机械强度（20.4 MPa）、创纪录的热绝缘性（21.7 mW m?1 K?1）及以吸收为主的电磁干扰（EMI）屏蔽性能（54.9 dB）。该策略为可穿戴电子、热管理和EMI屏蔽提供了轻量、耐用且多功能的解决方案。

　　

引言

气凝胶凭借其超轻和高度多孔的架构，已成为能源存储、生物医学设备、航空航天系统和电子设备等多种先进应用中有前景的材料。传统上，气凝胶以三维整体、颗粒或二维薄膜形式制备，但其商业化一直受到脆性和缺乏柔韧性的阻碍。过去十年中，气凝胶纤维的发展重新定义了这些限制。通过保留气凝胶的三维多孔网络同时引入分子取向或纤维排列，这些纤维结合了超轻孔隙率与传统纤维的柔韧性和可伸展性。因此，它们展现出增强的机械性能，包括优异的拉伸强度、改进的柔韧性和更大的可拉伸性，使其对智能纺织品和其他机械要求高的应用特别有吸引力。尽管有这些进展，研究主要集中在热绝缘上，由于大多数聚合物基质固有的电绝缘性，导电气凝胶纤维仍未得到充分探索。将导电组分融入气凝胶纤维而不损害机械完整性和耐久性仍然是一个关键挑战。

导电气凝胶通常通过融入如MXenes、石墨烯和碳化纤维素等导电材料来设计，使其适用于电子、智能传感器和电磁干扰（EMI）屏蔽应用。然而，实际部署常常受到固有脆性和差加工性的阻碍，表现为低拉伸强度和杨氏模量。在机械应力下，这些气凝胶可能经历不可逆的结构坍塌，导致性能迅速退化。为了缓解这些问题，研究人员用高强度、耐久的聚合物如聚酰亚胺（PI）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚乙烯醇（PVA）和聚氨酯（PU）增强导电框架。然而，一个关键的权衡出现：高聚合物负载显著降低电导率，而低聚合物含量无法赋予足够的机械 robustness 供实际使用。

自然长期以来为无缝结合强度、柔韧性和多功能性的材料提供了蓝图。一个典型的例子是加拿大鹅羽轴，其分层核壳结构提供了轻质的 porous 核心用于热绝缘，配以致密的疏水外壳。通过解耦热和机械功能，这种生物架构克服了传统气凝胶典型的脆性和结构限制，激发了下一代多功能纤维的设计。

受鹅羽轴结构原理的指导，我们通过直接的同轴湿纺工艺开发了核壳气凝胶纤维，实现了机械强度和电导率的协同平衡，而不牺牲结构完整性或柔韧性。PI壳通过聚酰胺酸（PAA）溶剂/非溶剂交换相转化过程 followed by thermal imidization 生成，产生一个微米级多孔支架 with a dense skin layer that mimics the feather's architecture。同时，导电核心由组织成多孔网络的MXene薄片组成，赋予纤维优异的电导率和EMI屏蔽能力。MXene薄片封装在绝缘PAA层内增强了耐久性和抗氧化性，确保在恶劣条件下的稳定性能。此外，疏水PI壳赋予防潮性，进一步拓宽了在潮湿环境中的潜在应用。这种材料和结构设计最终产生了轻质、柔韧和可扩展的气凝胶纤维，具有 superior 机械性能，将其定位为下一代多功能气凝胶的有希望的候选者。

结果与讨论

加拿大鹅羽轴 exemplifies nature's capacity to engineer lightweight, flexible, and multifunctional architectures。多孔核心是其低密度和热性能的关键。SEM显微照片显示，这种脆弱的多孔核心（空隙平均29 ± 5 μm，主要椭圆形形态）被包裹在一个坚固、致密的外壳内。这种分层设计既保护了内部结构，又创造了绝缘空气袋，增强了多孔网络内的热绝缘。

羽轴核心内截留的空气袋最小化了热传递，使羽毛成为高效的绝缘体。同时，羽枝的致密排列将暖空气 trapped close to the body，进一步增强了绝缘。 together，羽轴和羽枝最大化热绝缘并保持体温，使鹅能在极端寒冷中茁壮成长。如热成像所示，羽毛及其羽轴在放置在90 °C热板上10分钟后仍保持 elevated temperatures，展示了卓越的热绝缘。同时，羽轴的致密外壳提供了机械 robustness：它保护脆弱核心免受损坏和环境应力，确保在动态条件下的耐久性，如飞行的物理应变或磨蚀暴露。因此，核壳架构同时提供了机械强度和热绝缘，保持了柔韧性和弹性。

拉伸测试进一步突出了羽轴的效率，最大拉伸强度约11.5 MPa，断裂伸长率约8%，表明其承受动态应力的能力。羽轴的另一个关键特征是其固有的疏水性。富含角蛋白的外壳 repel water，保持内部干燥，即使在潮湿或湿润环境中也保持绝缘性能。这种防水特性对鹅在寒冷、潮湿的气候中至关重要，并为工程先进气凝胶材料提供了 valuable 设计原则。

加拿大鹅羽轴的轻质、机械坚固和耐久架构，以集成的多孔核心和致密外壳为特征，为设计具有优化多功能性的导电气凝胶提供了引人注目的自然蓝图。为了将这些原理转化为用于热绝缘和EMI屏蔽的可穿戴气凝胶纤维，我们建立了一个受四个标准指导的工艺策略：i) 外壳必须赋予热和机械稳定性，而核心确保电导率；ii) 外壳应表现出疏水性，类似于鹅羽轴，以在潮湿条件下保持性能；iii) 纤维必须具有足够的拉伸强度和弹性用于纺织品集成；iv) 核壳形态应提供机械 robust 和电导率而不妥协。

聚酰亚胺（PI）被选为外壳聚合物，由于其高耐热性、阻燃性、可工程化的孔隙率和固有的疏水皮肤，满足标准(i)和(ii)。采用同轴湿纺方法，一种成熟的纺织品制造技术，来调控相转化并实现多孔 yet 机械弹性的结构， addressing criterion (iii)。MXene薄片在纺丝过程中作为核心掺杂剂引入，以赋予高效电导率（标准iv）。这种集成设计产生了受自然启发的、多功能的气凝胶纤维， tailored for smart wearable applications。

我们的同轴湿纺工艺示意图说明。简而言之，PAA-in-DMAc溶液（外壳）和 aqueous MXene悬浮液（10 mg mL^?1，核心）以150 μL min^?1的速度共挤出到由水/乙醇组成的凝固浴中。在浴内，双向质量传递控制形态发展：乙醇/水向内扩散到聚合物 rich 外壳中，置换DMAc，而DMAc向外扩散，由浓度梯度驱动。这种溶剂/非溶剂交换诱导快速热力学不稳定性，触发相转化和固化凝胶的形成。

near the fiber surface, rapid outward diffusion of DMAc depletes solvent, causing immediate gelation of a polymer-rich phase that vitrifies into a dense shell skin。这种外层，由瞬时聚合物沉淀和受限链流动性形成，作为机械完整性的结构基质。相比之下，在外壳更深层，较慢的乙醇/水向内扩散允许聚合物贫乏区域成核和 coalesce，产生互连通道。随着聚合物 rich 相围绕这些溶剂 rich 区域固化， upon solvent removal, voids emerge，生成 underpins 气凝胶功能的分层孔隙率。

乙醇对DMAc的中间溶解度调节相转化动力学：它部分延缓DMAc扩散， enabling controlled pore formation while ensuring rapid surface vitrification。因此，致密皮肤提供机械强度，而多孔子结构保持低密度并 facilitate functional transport pathways。快速表面固化也降低了聚合物-溶剂界面能，而较慢的内部区域转化促进热力学驱动的 pore growth and connectivity。

这种连续纺丝过程产生均匀纤维，突出了可扩展生产的潜力。横截面SEM揭示了 reminiscent of the feather rachis 的多级多孔架构。经过冷冻干燥（?60 °C, 15 h）和热酰亚胺化，PAA转化为PI，产生具有致密、疏水外壳（接触角128.4°）的气凝胶纤维，模仿了鹅羽轴的防水皮肤。这些观察确认我们的工艺有效实现了预期的核壳形态和多功能性。为了进一步评估耐久性，吸水测试显示浸泡120分钟后 minimal swelling（≈7%），没有可见变形或分层。此外，接触角保持几乎不变约125.4°，浸泡后的动态接触角测量显示可忽略的变化，确认了PI外壳的疏水性和结构完整性在 prolonged water exposure 下得以保留。

如我们制备过程所预期，受自然启发的