DOI：10.1016/j.compositesb.2026.113877

通讯作者：徐峻

研究背景

柔性压阻式气凝胶在可穿戴电子和复杂环境传感中具有广阔前景，但实际应用时面临两大瓶颈：传统随机多孔气凝胶在循环压缩中易发生孔壁随机坍塌和导电网络不可控重构，导致信号漂移与迟滞；同时以纤维素纳米纤维（CNF）和MXene为代表的亲水性组分使材料极易吸湿，高湿环境下会引起骨架软化、MXene氧化及导电通路波动，严重损害传感稳定性。尽管定向冷冻可构建有序层状结构以调控变形行为，且引入MXene可提升导电性，但单一的结构调控或导电改性仍无法解决湿度诱导的界面失稳问题，多孔导电气凝胶在长期复杂环境下的可靠运行仍是尚未充分解决的难题。

创新点

通过定向冷冻铸造构建垂直取向的CNF/MXene层状通道以约束压缩变形并引导MXene组装为连续导电路径，随后原位进行甲基三氯硅烷（MTS）气相沉积在多孔骨架表面形成稳定疏水硅氧烷界面以阻隔湿气渗透。该协同设计使气凝胶兼具超低密度、高水接触角、高灵敏度及千次循环稳定性，并在高湿环境下保持可靠压阻响应，同时保留MXene的快速光热转换能力；所制传感器可稳定监测人体运动、桡动脉脉搏特征波、气流、语音及摩斯码输入，证实了结构有序化与界面疏水化协同调控是实现多孔导电气凝胶在复杂多场耦合环境中长期可靠传感的有效途径。

图文速览

图1 CNF/MXene复合气凝胶（CMM）的结构-界面协同设计：a) 多孔导电气凝胶在复杂服役条件下的不稳定性示意图：i) 传统无序多孔气凝胶的随机坍塌与信号漂移；ii) 缺乏界面保护的定向层状气凝胶因湿度引起的失稳；b) CMM气凝胶的制备路线：从木材中提取纤维素纳米纤维（CNF），与MXene进行悬浮液混合，经定向冷冻成型，随后进行甲基三甲氧基硅烷（MTS）气相沉积，从而在气凝胶表面构筑疏水性硅氧烷界面及空气截留层；c) CMM气凝胶的功能特性：包括在潮湿环境下的可靠压力传感、快速光热响应以及疏水稳定性

图2 CMM气凝胶的多尺度结构及界面化学表征：a) CMM气凝胶的超轻特性演示：气凝胶可稳定支撑于绿叶表面，表明其具有超低密度；b) 横截面（垂直于冷冻方向）的SEM图像，揭示了相互连通的细胞状（蜂窝状）网络结构；c) 纵截面（平行于冷冻方向）的SEM图像，展示了明显的定向层状多孔结构；d) 高倍SEM图像，揭示了连续的层状骨架及层间通道，表明MXene与CNF共同构建了复合层壁结构；e) 气凝胶在重复压缩后仍能保持整体形貌，证明了其良好的结构稳定性和弹性恢复能力；f) FTIR光谱（傅里叶变换红外光谱）；g) XRD图谱（X射线衍射图谱）；h) XPS全谱（X射线光电子能谱全谱）；i) XPS C 1s精细谱；j) XPS Si 2p精细谱

图3 CMM气凝胶的疏水性能及老化稳定性：a) CMM_y气凝胶的静态水接触角（WCA）随MTS用量的变化关系；b) MTS在CM（纤维素/MXene）骨架上发生水解与缩合反应，形成基于Si–O–Si键的疏水网络的示意图；c) CMM₄气凝胶外表面与横截面的静态水接触角测量；d) CMM₄气凝胶表面的自清洁行为：滚动的液滴带走表面的尘埃颗粒；e) CMM₄气凝胶在60天老化过程中的静态水接触角变化

图4 CM_xM气凝胶传感器的电学及传感性能：a) 三明治结构及压力诱导导电机制示意图；b, c) I–V曲线：b) 随MXene负载量的变化；c) 随外加压力的变化；d) 不同压力下的相对电流响应（ΔI/I₀）及 e) 灵敏度曲线；f) 超低压力下的响应与恢复特性；g) 极低压力下的相对电流响应（ΔI/I₀）；h) 在6.8 kPa压力下超过1000次的循环稳定性测试；i) 与已报道的其他传感器的灵敏度及传感范围对比

图5 基于CMM气凝胶传感器的多模态生理监测与人机交互：a) 传感器在人体上的佩戴位置及其多孔结构示意图；b-e) 相对电流响应（ΔI/I₀）对应：b) 轻触/重按，c) 手指弯曲，d) 手腕弯曲，e) 姿态变化；f) 百米跑（100 m）前后的脉搏信号对比；g) 单脉冲波形放大图，显示了P波（叩击波）、T波（潮波）和D波（重搏波）；h) 对吹气的响应信号；i) “你好”的语音信号波形；j) 摩斯密码输入（“SOS”、“YES”）；k) CM传感器与CMM传感器在93%相对湿度（RH）下的稳定性对比

图6 CM_xM₄复合气凝胶的光热性能及热稳定性：a) 气凝胶光热转换与热量传递行为示意图；b) CM_xM₄气凝胶在不同光照强度下的红外热成像图及对应的温度变化曲线；c) 气凝胶在阶梯式变化的光照强度下的表面温度可逆响应；d) 气凝胶在不同光照强度下经历3次“开/关”循环的光热升温-冷却曲线；e) 第1、50和100次循环的温度上升曲线对比，证明了稳定的光热循环性能；f) 在314 mW cm^-2光照强度下的连续光热加热行为，显示出超过9563秒的稳定热输出；g) 本工作气凝胶与先前报道材料的光热性能对比

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