软材料的出现极大地推动了柔性电子学的发展，以收集生理和环境信息。光纤作为最重要的参与者之一，表现出比表面积大、适应性强、与其他功能单元具有良好的可定制性等独特优势，在晶体管、光纤电路、传感网络、能量收集或存储设备等领域具有广泛的应用前景。其中，离子导电水凝胶纤维因其透明、长宽比大、编织性好、机械柔韧性好等独特优势而成为重要的候选材料。一般来说，水凝胶基纤维的制造主要基于纺丝技术，包括湿/干/凝胶纺丝、静电纺丝、直接墨迹书写、拉丝纺丝和微流控，但仍然存在以下挑战：（i）水凝胶及其前体溶液的可纺丝性差，因此难以大规模制造米大小或更长的纤维。（ii）常规策略耗能大，生产工序繁琐，溶剂消耗量大，不符合绿色化学趋势。除了大规模制造的困难外，离子导电水凝胶纤维暴露在环境中会因比表面积大而导致严重的脱水和去离子，其长期稳定性差进一步限制了其广泛应用。目前，引入高吸湿性盐通过与水分子形成水合离子来降低蒸气压已被证明是提高水凝胶纤维抗脱水性的有效方法。但是，它会因环境湿度而膨胀和消退，从而导致不稳定的电气性能。另一种方法是通过包裹、覆盖和涂覆其他疏水性材料来封装水凝胶纤维，以减少水分蒸发并防止裸露导电水凝胶纤维的互连。然而，大多数封装策略都面临模量不匹配、芯层和封装层之间的界面粘附力弱等问题，导致在服务期间出现剥落和异常断裂。这种困境强调了开发一种环保和高效的策略来制造具有稳定封装结构的离子导电水凝胶纤维的重要性。
最近，来自中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所的Luo Dan& Li Zhou研究团队开发了一种应力诱导的自适应相变策略，用于可持续制备高度稳定的功能性自封装水凝胶基离子导电纤维（se-HICF），该策略仅包括两个步骤：应力诱导的拉伸/浸拔成型和自适应相变触发的自封装。相变形成的自包封层使se-HICFs的力学强度大大提高了>1200倍，有效防止了内部水分的流失。此外，超细的自封护套芯结构还赋予了se-HICFs强大的静电感应能力，可实现高效的非接触式3D景深传感。se-HICFs可以大规模制造，并灵活地编织成仿生蜘蛛网结构，用于监测昆虫、无人机（UAV）和人类在自然环境中的运动，在智能农业和国土安全伪装监测方面显示出巨大的潜力。相关成果以“Self-encapsulated ionic fibers based on stress-induced adaptive phase transition for non-contact depth-of-field camouflage sensing”为题发表在期刊《Nature Communications》上。
研究进展
图1：a关于us-IHs的设计原理和超拉伸性的示意图。比例尺：2.5 mm。 b 基于应力诱导的自适应相变策略的se-HICFs制备工艺示意图。插图显示了不同拉伸比的us-IHs图像。
首先，通过us-IHs的多级拉伸或熔融us-IHs的直接浸渍拉伸获得直径为微米级的离子水凝胶纤维;第一步成型的纤维具有高度的可拉伸性和柔韧性，但机械强度较弱。同时，应力诱导的水分子在离子水凝胶纤维表面的定向迁移和蒸发促进了表层的转变，形成了一个紧密的包封层。纤维表面发生的应力诱导相变具有自适应性，自包封过程一直持续到达到平衡状态，然后自包封层的厚度保持不变，表明形成了具有护套芯结构的se-HICFs。此外，相变引起的自封层也防止了内部水分流失，保证了se-HICFs的长期稳定性。
除了拉伸成型外，离子水凝胶纤维还可以直接从熔融的us-IH中浸吸，并且可以通过提取过程来控制纤维直径（图2c）。如图2f所示，将固定在亚克力棒上的针浸入us-IHs熔体中，然后以一定速度提升，通过尖端和熔体之间的粘附力将纤维纺出。如图2g所示，使用不同尺寸（400、600和1600μm）的针头将主纤维的直径从200 μm增加到600 μm。此外，熔体温度也会影响纺丝的纤维尺寸（图2h）。随着熔体温度分别升高60 °C、70 °C和80 °C，主纤维尺寸趋于减小，这可能是由于不同温度下节段迁移率的差异，使链重新排列更容易发生。从us-IH熔体中浸渍拉丝后，可以立即在室温下在室温下成型，然后包裹在卷轴上，显示出大规模制备的潜力（图2j）。通过浸渍拉伸制备的纤维也可以进行二次拉伸，纤维的直径可以小到几十微米（图2k）。水凝胶纤维在拉伸后逐渐呈现出串珠结构，类似于天然蜘蛛丝（图2l）。
图3：a ISW准备过程的示意图。b 由se-HICF制造的直径为1.7米的巨大ISW，长度为~8米。比例尺：2 厘米。 c ISW可以伪装在草地、落叶、砾石和橡胶轨道上。比例尺：2厘米。 高速数码摄像机记录到ISW可以高速抵抗球。比例尺：1 厘米。 e 蝴蝶、甲虫和瓢虫在ISW上降落的照片。比例尺：2 cm. f，g 蝴蝶、甲虫和瓢虫的电信号和感应电压，飞走 ISW。h 在ISW上拍打翅膀并在ISW周围飞行蝴蝶的感应电压。i 蝴蝶不同飞行高度的感应电压。（g） 中每个数据点的误差线是基于 3 个平行测量值计算的标准差。
由于高比表面积和强大的静电传感能力，ISW还可以以非接触方式识别更大、更快的移动物体（图4a）。ISW可以很好地伪装在树枝上，以监测无人机在野外环境中的飞行和人体运动（图4b，c）。与垂直于ISW的飞行相比，由于平行飞行的感应面积较大，无人机在与ISW平行的方向飞行时在ISW中感应出更高的电压。无人机悬停时，由于螺旋桨叶片在空中旋转，会产生一些连续的、不规则的小峰值。ISW还监测了不同运动模式的路过者，产生的信号清楚地识别了路人是在奔跑、行走还是徘徊（图4d，e）。此外，即使在下雨天，ISW也能保持强大的传感能力。在使用洒水装置模拟雨天测试中，水滴对ISW的监测过程没有明显影响，仍然可以识别蝴蝶和人的运动，显示出其较强的适应气候变化的能力。
总结和展望
本研究提出了一种应力诱导的自适应相变策略，用于自封装离子水凝胶纤维se-HICFs的简单制备。相变形成的se-HICFs独特的鞘芯结构赋予了纤维与单电极摩擦电纳米发电机相似的高稳定性、优异的机械强度和优异的静电感应能力。se-HICFs可以进一步编织成仿生蜘蛛网结构，并在自然环境中伪装，实现对昆虫、无人机和人类等运动物体的非接触式3D深度感知。
https://doi.org/10.1038/s41467-024-44848-5
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