NSR专题 | 功能与智能纤维(特邀编辑:朱美芳)

学术   2024-12-03 14:42   北京  

《国家科学评论》National Science Review,NSR)今年第10期出版了“功能与智能纤维”专题(特邀编辑:朱美芳),共收录14篇高水平论文,包含1篇Editorial、1篇Research Highlight、3篇Perspective、4篇Article、4篇Review和1篇Interview文章,展示了该领域的发展现状及其未来方向。


长按扫描二维码,免费阅读下载专题




Special Topic: Functional and Smart Fibers

【专题篇目】

GUEST EDITORIAL

Shaping the future of fiber technology: exploring functional and smart innovations

Meifang Zhu

Natl Sci Rev 2024, 11(10): nwae373

https://doi.org/10.1093/nsr/nwae373

“功能与智能纤维”专题前言

通讯作者:朱美芳(东华大学)

朱美芳
本文是NSR“功能与智能纤维”专题的特邀编者按。本专题包含1篇Editorial、1篇Research Highlight、3篇Perspective、4篇Article、4篇Review和1篇Interview文章。


RESEARCH HIGHLIGHT

Form meets function meets fashion: convergent drawing of multimaterial fibers

John Ballato

Natl Sci Rev 2024, 11(10): nwad111

https://doi.org/10.1093/nsr/nwae111

形态遇见功能,功能遇见时尚:多材料纤维的融汇热拉

通讯作者:John Ballato(美国克莱姆森大学)

John Ballato

本文推介了近期发表在Nature的论文“High-quality semiconductor fibres via mechanical design”,认为该工作发明了高温低温融合热拉技术,解决了半导体材料稳定性的挑战,实现了近无限长高质量半导体纤维与光电器件的规模化制备与突破性应用。作者认为,多材料热拉技术的潜力远未被充分挖掘,目前仅是冰山一角。


PERSPECTIVE

Thermally drawn multi-material fibers: from fundamental research to industrial applications

Xin Chen, Yan Meng, Stella Laperrousaz, Hritwick Banerjee, Jinwon Song, Fabien Sorin

Natl Sci Rev 2024, 11(10): nwae290

https://doi.org/10.1093/nsr/nwae290

热拉多材料纤维:从基础研究到工业应用

通讯作者:Fabien Sorin(瑞士洛桑联邦理工学院)

Fabien Sorin

在智能传感器和电子纺织品技术的进步中,传统节点传感器在结合稳健性与分布式、多模态监测方面面临挑战。热拉伸纤维设备通过微纳米尺度的复杂几何结构嵌入多种材料,为柔性和大规模智能系统提供了新的选择。本文概述了该领域经历了从概念验证到深入研究材料与工艺的转变,推动了可生物降解、高延展性纤维器件的发展。并展示了热拉伸多材料纤维在神经探针、软体机器人、健康监测和人机交互等领域的广泛应用潜力,同时提出了未来可发展的方向。


Will the fibers of the future be considered fibers?

Dewen Xu, Ya Liu, Hailiang Wang, Wei Yan, Changjun Jiang, Meifang Zhu

Natl Sci Rev 2024, 11(10): nwad235

https://doi.org/10.1093/nsr/nwae235

未来的纤维还是纤维吗?

通讯作者:王海亮、严威、朱美芳(东华大学)

王海亮

严威

纤维材料是改变人类历史、促进人类文明进步的关键材料。这项工作剖析了过去一个世纪以来纤维领域的关键突破和历史发展,同时也确定了有望塑造该领域未来的研究方向和新兴趋势。


The past, present and future of high-performance fibers 

Zhenzhen Liu, Yan Wang, Junrong Yu, Yinjun Chen, Meifang Zhu

Natl Sci Rev 2024, 11(10): nwad310

https://doi.org/10.1093/nsr/nwae310

高性能纤维的过去、现状与未来展望

通讯作者:于俊荣、陈银军、朱美芳(东华大学)

于俊荣

陈银军

高性能纤维因其高强度、高模量、耐高温、耐辐射及耐腐蚀等卓越性能,在航空航天、国防军工、轨道交通、绿色能源等领域发挥关键作用。本文总结了高性能纤维在性能提升、应用拓展等方面的最新研究进展和面临的挑战,并针对不同类型纤维所面临的挑战,提出多种解决视角或策略,旨在为高性能纤维未来研究和生产提供参考和指导。


RESEARCH ARTICLE

Fibrillar adhesives with unprecedented adhesion strength, switchability and scalability

Changhong Linghu, Yangchengyi Liu, Xudong Yang, Dong Li, Yee Yuan Tan, Mohamed Haziq Bin Mohamed Hafiz, Mohammad Fadhli Bin Rohani, Zihao Du, Jiangtao Su, Yan Li, Yucheng Huo, Hanyan Xu, Xiufeng Wang, Yifan Wang, Jing Yu, Huajian Gao, K Jimmy Hsia

Natl Sci Rev 2024, 11(10):nwae106

https://doi.org/10.1093/nsr/nwae106

兼具强粘附、大调控比和高缩放效率的智能纤毛粘附

通讯作者:夏焜(新加坡南洋理工大学)、高华健(清华大学)
令狐昌鸿

夏焜

高华健

传统壁虎仿生纤毛粘附使用弹性体制备,一直受到粘附强度和调控比之间的矛盾以及粘附强度的尺寸效应制约。本工作提出了一种新型纤毛粘附设计新范式,利用形状记忆聚合物中的材料相变,实现粘附状态的强弱转换,将纤毛粘附的强度极限状态的适用尺寸从微米量级突破到了毫米量级,在毫米量级的尺寸上实现了2 MPa的强粘附,并在2MPa的强粘附下实现了1000倍的调控比,以及在10cm2的接触面积下实现了高达56.8%的粘附缩放效率。


Kilogram-scale production of strong and smart cellulosic fibers featuring unidirectional fibril alignment

Jianguo Li, Chaoji Chen, Qiongyu Chen, Zhihan Li, Shaoliang Xiao, Jinlong Gao, Shuaiming He, Zhiwei Lin, Hu Tang, Teng Li, Liangbing Hu

Natl Sci Rev 2024, 11(10): nwad270

https://doi.org/10.1093/nsr/nwae270

规模化生产具有纤丝定向排列特征的高强度智能纤维素纤维

通讯作者:胡良兵、李腾(美国马里兰大学)

李建国

陈朝吉

胡良兵

李腾

通过可控脱除木质素、半纤维素以及导管和薄壁细胞,本研究从快速生长的草类植物原料中规模化分离具有优异机械性能的纤维素纤维。它呈现多尺度的纤丝定向排列特征,且具有致密的组装结构,这些特征赋予其高拉伸强度和高杨氏模量。通过设计纤维素纤维的弹簧结构,进一步得到具有湿度响应功能的绿色制动器,实现对自身重量100倍物体的快速驱动,有望在智能织物、软体机器人以及能量收集与转化等领域实现应用。


Fe-N co-doped carbon nanofibers with Fe3C decoration for water activation induced oxygen reduction reaction

Shaoxiong Li, Gengyu Xing, Sheng Zhao, Jian Peng, Lingfei Zhao, Feng Hu, Linlin Li, Jiazhao Wang, Seeram Ramakrishna, Shengjie Peng

Natl Sci Rev 2024, 11(10): nwae193

https://doi.org/10.1093/nsr/nwae193

通过水活化诱导氧还原反应的Fe3C修饰Fe-N共掺杂碳纳米纤维

通讯作者:彭生杰(南京航空航天大学)

彭生杰
通过独特的电纺-热解-刻蚀策略制备的Fe3C修饰Fe-N共掺杂碳纳米纤维催化剂,拥有碳纳米管互交联网状结构,增强了活性位点暴露和电子传递。构建的Fe3C作为水活化位点,加速了质子耦合电子转移过程,显著提升了氧还原反应性能。本文为开发高效、稳定的M−N−C电催化剂材料用于新一代储能和转换技术提供了新的思路。


Interface-reinforced high-capacity fiber cathode for wearable Li–S batteries

Lei Huang, Tianzhu Zhou, Siyu Zhu, Tianqi Yang, Xuhui Zhou, Bing He, Shuai Wang, Wei Yan, Lei Wei

Natl Sci Rev 2024, 11(10): nwae262

https://doi.org/10.1093/nsr/nwae262

界面增强的高容量纤维正极用于可穿戴锂硫电池

通讯作者:魏磊(南洋理工大学)、严威(东华大学)

魏磊
纤维状锂硫电池因其高理论比容量与灵活性,可以作为智能纺织品的柔性电源。本文设计了一种具有协同界面相互作用的纤维状复合正极,通过氢键,化学吸附协同作用保持电极结构与抑制多硫化物穿梭。制备的正极材料有良好的柔韧性与优异的电化学性能,可集成到纺织品中为手机无线充电。


REVIEW

Wet-spinning of carbon nanotube fibers: dispersion, processing and properties

Zhicheng Yang, Yinan Yang, Yufei Huang, Yanyan Shao, He Hao, Shendong Yao, Qiqing Xi, Yinben Guo, Lianming Tong, Muqiang Jian, Yuanlong Shao, Jin Zhang

Natl Sci Rev 2024, 11(10): nwae203

https://doi.org/10.1093/nsr/nwae203

湿法纺丝碳纳米管纤维:分散、工艺与性能

通讯作者:邵元龙(北京大学)

邵元龙
基于碳纳米管本征高强度、高导电、高导热性能,其组装得到的宏观纤维呈现出优异的力、热、电等性质,有望发展为下一代高性能纤维。湿法纺丝是最有望实现碳纳米管纤维规模化批量制备的纤维制备技术。本文整体介绍了碳纳米管纤维的湿法纺丝过程,着重分析了非共价吸附与电荷转移的分散机制以及纺丝各阶段碳纳米管纤维的结构演变过程,揭示了纺丝液性质、纤维成型过程、后处理工艺对碳纳米管纤维结构和性能影响的关键作用,展望了碳纳米管纤维在未来批量化制备以及应用中的挑战、机遇。


Emerging innovations in electrically powered artificial muscle fibers

Tianhong Lang, Lixue Yang, Shiju Yang, Nan Sheng, Yiyao Zhang, Xiaofei Song, Yang Guo, Shaoli Fang, Jiuke Mu, Ray H Baughman

Natl Sci Rev 2024, 11(10): nwae232

https://doi.org/10.1093/nsr/nwae232

电驱动纤维人工肌肉的创新进展

通讯作者:穆九柯(天津大学)、Ray H. Baughman(美国得克萨斯大学达拉斯分校)

穆九柯

Ray H. Baughman


纤维型电驱动人工肌肉以其卓越的机械性能、集成灵活性和功能扩展性等独特优势,正逐渐成为智能机器人和可穿戴设备等智能设备的一种新型动力系统。本文从纤维形态材料的特性出发,在成纤方法、多尺度结构设计、群化集成方式以及功能化拓展等层面描绘了纤维肌肉的发展历程;通过系统论述电热、电化学以及介电等人工肌肉的运行机制,揭示了不同驱动机制间肌肉性能差异的底层逻辑,并依此展望了纤维人工肌肉走向规模化应用的挑战和机遇。


Flexible multimaterial fibers in modern biomedical applications

Jongwoon Kim, Xiaoting Jia

Natl Sci Rev 2024, 11(10): nwae333

https://doi.org/10.1093/nsr/nwae333

现代生物医学应用中的柔性多材料纤维

通讯作者:贾晓婷(美国弗吉尼亚理工大学)

贾晓婷
现代生物医学领域中,灵活的多材料纤维正成为不可或缺的创新工具,显著提升患者生活质量。随着生物医学设备制造技术的飞速进步,热拉制工艺以其灵活性和可扩展性脱颖而出,成为制造高级生物医学器件的关键技术。该工艺通过精密设计的宏观预制体,融合多种功能材料,能连续生产出数百米长的多功能纤维,集电化学传感、药物输送、光传输、温度/化学/压力传感等多种功能于一体。本文综述了热拉制多功能纤维的制造工艺,并重点介绍了其在神经接口、化学传感、组织工程、癌症治疗、软体机器人及智能穿戴等现代生物医学应用中的最新进展。最后,文章还探讨了这一快速发展领域面临的挑战及未来发展方向。


Thermal management with innovative fibers and textiles: manipulating heat transport, storage and conversion

Yucan Peng, Yi Cui

Natl Sci Rev 2024, 11(10): nwae295

https://doi.org/10.1093/nsr/nwae295

创新的热管理纤维和织物:调控热量的传输、储存和转化

通讯作者:彭雨粲(北京大学)、崔屹(美国斯坦福大学)

彭雨粲

崔屹

热管理在诸多领域有着至关重要的作用和意义。热管理纤维和织物作为一类创新解决方案,能够高效地操控热量的传输、储存与转换。本文综述了该领域中材料创新的最新进展,涵盖了通过不同途径控制热传输的纤维与织物、基于相变材料的热储存调节纤维与织物,以及光热转换、焦耳加热和热电效应在先进纤维与织物中的应用,并讨论了该领域面临的挑战和未来的前景。


INTERVIEW

The development of polymers and fibers: an interview with Stephen Cheng

Wei Yan

Natl Sci Rev 2024, 11(10): nwae357

https://doi.org/10.1093/nsr/nwae357
高分子与纤维的发展:程正迪院士专访

记者:严威(东华大学)

程正迪

自20世纪20年代以来,高分子与纤维科学已取得了显著进展,高分子已成为工业与日常生活中不可或缺的部分。2023年全球高分子的市场规模超过7210亿美元。20世纪50年代起,中国的纤维研究起步,并在化学纤维领域为社会与科技进步做出了巨大贡献。面对未来,高分子与纤维领域将如何应对持续存在的挑战并进一步推动创新?NSR专访了美国国家工程院院士、美国阿克伦大学高分子科学与工程学院前院长、现任华南理工大学前沿软物质学院院长及荣誉教授程正迪,探讨高分子与纤维科学的发展。






中国科学杂志社
《中国科学》杂志社是国内外较具有影响力的科技期刊出版机构,目前主要产品包括《中国科学》系列、《科学通报》、《国家科学评论》、《国家科学进展》、《能源化学》和《医学+》等22种科技期刊,旨在见证中国科学发展,促进国际学术交流。
 最新文章