天津工业大学张兴祥教授团队在石墨烯智能可穿戴方面获新进展

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近日，天津工业大学天津市先进纤维与储能技术重点实验室张兴祥教授团队在《美国化学会应用材料与界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)上发表题为“BiodegradableTransparent Substrate Based on Edible Starch-Chitosan Embedded with Nature-Inspired Three-Dimensionally Interconnected Conductive Nanocompositesfor Wearable Green Electronics”的研究论文。该论文提出了一种通过引入导电聚合物聚(3,4-乙撑二氧噻吩)作为碳纳米管/石墨烯的有机界面粘合剂和导电连接剂，构建三维互通导电网络的方法，并将导电网络嵌入到由天然蟹壳与马铃薯衍生得到的柔性基底中，制备出高性能石墨烯基导电薄膜，有望用于可穿戴智能电子纺织服装中。该论文第一作者为博士研究生苗锦雷，通讯作者为张兴祥教授。

可穿戴技术，又称为电子纺织品，在儿童及老年人监护、健康医疗、通讯娱乐、航空航天、智能服饰等领域有着重要的研究和应用价值，将传统生物学、医学、电子学、材料学与纺织服装学有机相结合，是一个新兴的交叉学科。石墨烯作为单原子层二维碳晶体，具有优异的导电性、导热性和机械柔韧性，在柔性可穿戴技术方面有着巨大的潜在应用前景。然而目前，石墨烯宏观组装体却面临着高的搭接电阻问题，使得石墨烯宏观体所表现出的性能低于石墨烯的理论值。为解决此难题，张兴祥教授研究团队在前期工作中引入高导电的银纳米线复合石墨烯(Chemical Engineering Journal, 2018, 345, 260-270;  Langmuir,2016, 32, 5365-5372)，增加了石墨烯导电网络中的高导电通路，从而有效提高了石墨烯薄膜的光电性能。在此基础上，该团队进一步提出了采用导电高分子增强碳纳米管与石墨烯之间的界面相互作用的设计策略，聚(3,4-乙撑二氧噻吩)高分子链通过与碳纳米管和石墨烯共轭结构之间的π-π相互作用，沿着碳纳米材料的表面铺展开并盘绕在其表面，将碳纳米管与石墨烯物理“交联”在一起，不仅有效提高了复合导电网络的宏观光电性能，而且还显著提高了导电网络的宏观机械柔韧性。此外，碳纳米管和石墨烯还可以经膜分离过程重新加以回收利用，进一步用于纤维复合增强或导电填料应用中。

图1. 石墨烯基柔性可穿戴设备制备过程及造型展示

该团队一直致力于智能纺织品的开发，如智能储热调温纤维织物等，可以自动感知外界环境温度的变化从而智能吸收、储存、重新分配和放出热量，自动调节服内温度，使服内温度处于较舒适的范围，相关技术已成功在市场推广应用。

接下来，科学家们将侧重于将这种新型功能材料与传统商业化纤维织物/纱线相结合，从而赋予织物服饰更多柔性电子功能，让这项技术尽快投入实际使用中去。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.8b04291