随着可穿戴电子设备的快速发展，基于纤维的智能电子纺织品在健康监测、智能显示和人机交互等领域展现出巨大应用前景。然而，如何将高性能纳米材料的本征特性有效保留并传递到宏观纤维结构中，一直是一个关键挑战。特别是对于像MXene（Ti₃C₂Tₓ）这类具有优异力学强度和导电性的二维材料，其纳米片在组装成宏观纤维时，由于横向褶皱和片层间界面作用弱，会产生大量空隙，严重损害了最终纤维的机械与电学性能，限制了其在耐用、高性能智能纺织品中的应用。
近日，新加坡南洋理工大学魏磊教授、中国科学技术大学程群峰教授合作提出了一种可控的静态-动态致密化策略，成功实现了公里级超强MXene复合纤维的连续制备。该方法利用短碳纳米管（CNTs）进行静态填充，并结合聚乳酸（PLA）动态热拉伸，通过氢键桥接MXene纳米片，显著减少了纤维内部的空隙。所得复合纤维实现了高达941.5 MPa的拉伸强度、3899.0 S cm⁻¹的电导率（内部MXene纤维电导率更高达12,836.4 S cm⁻¹），孔隙率低至4.2%，纳米片取向因子高达0.945。基于此纤维绣制的智能纺织品实现了长距离、无电池的无线健康监测、体感远程无人机操控及辅助通信，并展现出优异的机械耐久性。该策略为基于各类纳米功能材料制备高性能纤维提供了一条通用路径。相关论文以“Ultrastrong MXene composite fibers through static-dynamic densification for wireless electronic textiles”为题，发表在Nature Communications上。
研究团队首先通过原子力显微镜和有限元分析揭示了MXene纳米片在湿法纺丝过程中因剪切力不足而产生横向褶皱并形成空隙的根本原因（图1）。针对此问题，他们创新性地引入了短羧基化碳纳米管作为“填充剂”。这些一维的CNTs能够通过氢键有效桥接MXene纳米片，在纺丝过程中静态填充因褶皱产生的空隙，初步提升了MXene-CNTs（MC）复合纤维的致密性和取向度（图1a, 2a-d）。随后，他们采用动态热拉伸工艺，将MC纤维喂入PLA预制品中进行拉伸。热拉伸产生的动态应力进一步压缩了残留空隙，同时在纤维外部原位形成了PLA封装层，该层同样通过氢键与内部MXene纳米片结合，最终得到了结构高度致密、取向排列极佳的MCP复合纤维（图1d, 2c, f）。纤维长度可达千米级，并能承受1.5公斤的重物（图1d）。
图1 | 制备超强MXene复合纤维的流程示意图。 a. 通过静态填充法与动态热拉伸相结合制备MXene-碳纳米管-聚乳酸（MCP）纤维的示意图，其中碳纳米管与MXene纳米片、PLA与MXene纳米片之间通过氢键形成原位封装层；同时展示了湿法纺丝中因横向褶皱产生大量空隙的纯MXene纤维。 b. 根据有限元分析模拟，纺丝管轴心沿Y轴的剪切应力分布。 c. 通过动态有限元模拟获得的、为充分压实横向褶皱纳米片以减少空隙所需的应力。 d. 长度达千米级的MCP纤维照片。 e. MXene复合纤维（包括MX、MC、MCP和MCP-V）的拉伸强度、韧性、比强度、杨氏模量和电导率的星形图。 f. 基于MCP纤维的智能无线纺织品示意图，包含基于MCP纤维的各种螺旋电感织物（具备传感和存储单元），以及用于远程控制无人机和辅助通信的MCP-乙烯基硅树脂-醋酸酯硅树脂-ZnS-Cu²⁺纺织品。
通过傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱分析，研究人员证实了CNTs-MXene以及PLA-MXene之间氢键的成功构建（图2相关分析）。纳米计算机断层扫描的三维重构图像清晰显示，纯MXene纤维内部存在大量空隙（红色部分），而MCP纤维中空隙显著减少，结构更为密实（图2e, f）。此外，轴向截面的高分辨透射电镜图像表明，经过静态填充和动态拉伸后，纤维内MXene纳米片的排列高度有序，褶皱基本消除（图2g-i）。研究还系统优化了CNTs的长度和添加比例，发现长度为~0.46 μm、添加量为3 wt%时，填充效果和性能提升最为显著（图2j-l）。
图2 | MXene复合纤维的形貌表征。 a-b. MX纤维的截面扫描电镜图像和截面高分辨透射电镜图像。 c-d. MCP纤维的截面扫描电镜图像和高分辨透射电镜图像。 e-f. 通过纳米计算机断层扫描对MX和MCP纤维沿轴向进行的整体三维重构，显示了空隙分布（蓝色透明部分为MX纤维中的MXene纳米片；MCP纤维中蓝色透明部分为MXene纳米片和CNTs；红色部分为空隙；黄色透明部分为PLA）。 g-h. MX和MCP纤维轴向截面的高分辨透射电镜图像。 i. 通过纳米CT对MX和MCP纤维轴向截面进行的二维重构，显示空隙（蓝色为MX纤维中的MXene纳米片；MCP纤维中蓝色为MXene纳米片和CNTs；红色为空隙；黄色为PLA）。 j. MXene复合纤维的孔隙率和密度柱状图。 k. MXene复合纤维的方位角图。 l. MXene复合纤维的取向因子。
得益于致密的结构和强大的界面氢键作用，MCP纤维获得了突破性的力学与电学性能（图3a）。其拉伸强度和韧性分别达到纯MXene纤维的9倍和411倍。与已报道的各类MXene基纤维相比，该纤维在强度和电导率方面均处于领先地位（图3b）。实时电阻-应变测试表明，MCP纤维在断裂前电阻变化极小（~2%），说明其内部结构在变形过程中保持完整（图3c）。循环加载测试也证明，MCP纤维在4000次循环后仍能保持85.6%的电导率，耐久性远优于对比样品。密度泛函理论计算和有限元模拟揭示了其断裂机制：在拉伸过程中，结合力较弱的MXene-MXene界面首先发生滑移，随后结合力更强的CNTs-MXene和PLA-MXene氢键依次断裂并耗散能量，CNTs的拔出和PLA封装层的开裂进一步贡献了高韧性和高强度（图3d-g）。
图3 | MXene复合纤维的力学性能及断裂机理。 a. 所得MXene复合纤维的应力-应变曲线。 b. MCP纤维与先前报道的MXene基纤维的拉伸强度和电导率对比。 c. MXene复合纤维的实时电阻-应变曲线。 d. 对四种不同界面（MXene-MXene、CNTs-CNTs、CNTs-MXene、PLA-MXene）的吸附能和电子转移数的密度泛函理论计算。 e. MCP纤维的断裂示意图，以及MXene纳米片之间的滑移、CNTs-MXene和PLA-MXene界面强氢键的失效过程。 f. MCP纤维局部断裂过程的有限元分析。 g. 显示短CNTs拔出和PLA封装层开裂的MCP纤维断口形貌。
将这种超强、高导的MCP纤维通过数字化刺绣技术集成到织物中，可制成高性能的无线智能纺织品（图4a）。以花朵形螺旋电感图案为例，MCP纺织品的电磁性能（S₁₁参数）与商用铜线纺织品相当，但在机械耐久性上展现出了压倒性优势（图4b）。它在经历9万次180度弯曲、3万次360度扭转、5万次20%应变拉伸及90次标准水洗后，电导率保持率仍超过99%，而对比的铜线纺织品早已断裂（图4c, d）。这主要归功于MCP纤维自身的高强度、高韧性及致密结构。
基于此，研究团队开发了一套长距离、无电池的无线健康监测系统（图4e-i）。该系统由绣在连帽衫上的螺旋电感（作为无线供电和通信天线）、集成了温度、脉搏和紫外线强度传感器的传感单元，以及位于手腕的数据存储单元组成。用户只需用智能手机靠近衣物，即可启动系统，在超过50厘米的距离上实现生理数据的无线采集、传输与存储，并能对长达12小时的不同日常活动进行稳定监测（图4i）。
图4 | 基于MCP纤维的智能纺织品的电磁性能与机械耐久性。 a. 通过刺绣机方法使用MCP纤维绣制的花朵螺旋电感图案智能纺织品，间隙为1毫米，8匝。 b. 使用不同纤维（铜线、聚酰亚胺封装铜线、MCP纤维）绣制花朵图案的智能纺织品的S参数。 c. 花朵图案智能纺织品在弯曲角度从0°到150°时的S参数和电导率。 d. 智能纺织品中MCP纤维在90次洗涤循环中的电导率保持率。 e. 无线传感单元背面照片及其框图。 f. 传感单元在30秒内监测人体温度、脉搏压力和相对紫外线强度的稳定性。 g. 使用传感单元与商用设备测量的脉搏压力对比。 h. 嵌入连帽衫中的长距离无电池无线健康监测系统，由无线供电单元、无线传感单元和存储单元组成。 i. 健康监测系统在上午8点至晚上8点12小时内监测温度、脉搏压力和相对紫外线强度的实际测量数据（包含不同活动）。
更进一步，研究团队通过在MCP纤维外层涂覆乙烯基硅树脂/醋酸酯硅树脂与ZnS:Cu²⁺荧光粉，制备了具有三层结构的MCP-V纤维（图5a）。该纤维在保持高力学性能的同时，还具备了在体耦合电磁场下发光和产生无线电信的能力，无需电池即可工作。将其绣制成图案或文字，可实现用于辅助通信的发光 textiles（图5b, c），并且在弯曲、拉伸等变形下发光稳定（图5d）。更重要的是，利用这种纤维织物，可以实现对人体触摸感应的无线信号传输，从而遥控无人机完成起飞、降落、前进、负重等一系列复杂操作，控制距离可达约5公里（图5e-h）。
图5 | MCP-V纺织品的应用。 a. 示意图说明在体耦合电磁场下，使用单根多色MCP-V纤维实现无线光学和电信号生成与传输的机制。 b. 染色的MCP-V纤维在体耦合电磁场下发出红光，用于辅助通信。 c. 使用MCP-V纤维在纺织品上刺绣图案。 d. 集成MCP-V纤维的纺织品在弯曲、拉伸和戳刺条件下的耐久性。 e. 概念图展示如何使用MCP-V纺织品远程控制无人机。 f. 展示使用MCP-V纺织品远程控制无人机的照片。 g. 框图说明MCP-V纺织品与无人机之间的交互，描述了从纺织界面输入信号、处理指令、无线传输到无人机以及无人机执行动作的过程。 h. 由MCP-V纺织品控制的无人机飞行路径，附有实景图像。
这项工作展示的静态填充与动态热拉伸相结合的致密化策略，成功解决了MXene纳米片组装中的褶皱与空隙难题，制造出了兼具超强力学性能、高导电性和出色耐久性的复合纤维。由此开发的智能纺织品在无线健康监测和远程体感交互等方面表现出巨大应用潜力。该策略具有通用性，为利用各种纳米结构功能材料制备高性能纤维、并推动下一代可穿戴电子设备的发展开辟了新的道路。
