东华大学/中科院上硅所刘宣勇、邱家军团队《自然·通讯》：气液两相流纺丝构建水伏柔性电子器件

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柔性电子器件和智能纺织品的发展正以前所未有的速度改变着人类与环境和身体之间的交互方式。特别是在可穿戴能源供给和生理信号感知领域，如何在纤维尺度实现结构与功能的深度耦合，仍是当前亟待解决的关键难题。近期，东华大学/中科院上硅所刘宣勇和邱家军团队以自然界蜘蛛吐丝行为中的“多模态界面变形”现象为启发，首次提出一种气液两相流诱导的仿生多结构纤维构筑策略，实现具有空腔、纺锤、锯齿等复杂结构的功能纤维连续可控制备。该类纤维不仅展现出优异的水伏电能转换能力，还可集成于面罩中进行高灵敏度的实时呼吸监测与鼻周期分析，为远程医疗与健康管理提供新方向。相关成果以题为“Gas–liquid two-phase bubble flow spinning for hydrovoltaic flexible electronics”发表在《Nature Communications》，论文第一单位为东华大学，论文第一作者为在读博士生曹元鸣。传统纤维材料在生理感知和能量收集方面的功能较为有限，结构通常依赖喷丝孔固定设计，难以实现周期性、梯度、多级等高度仿生结构，尤其在动态水汽环境调控中表现明显滞后。此外，现有工艺普遍难以兼顾结构多样性与规模连续制备能力，阻碍了智能纤维在穿戴场景中的实际应用。图1：蜘蛛纺丝与纤维制备对比本研究首次引入气液两相流（Bubble Flow）调控策略，通过调节气泡在纺丝液中的形貌、速度与间距，诱导纤维前驱液体发生不同模式的界面变形。研究发现，纤维成型的关键在于气液界面的耦合行为。本研究团队通过高速成像和理论建模，揭示了不同气液流态下泡流对纺丝液界面的调控机制：在气泡进入纺丝液体时，表面张力差异使界面产生局部形变；随着泡体前进或破裂，诱导形成周期性表面扰动和形貌复制；最终，纤维在接触凝固浴后瞬时定型，将“动态界面形貌”转化为“固态结构特征”。在工艺层面，团队开发了一种基于气泡生成控制的气液两相流纺丝平台（Bubble Flow Spinning System），通过调节注射参数形成不同模式的气泡流：小泡单体流（Single bubble mode）：产生空腔结构，增强吸水与储水性能；气泡塞流（Slug bubble mode）：生成实心纺锤结构，提高导水效率；快速环状泡流（Annular bubble mode）：诱导表面张力扰动，形成稳定锯齿结构。通过调节气泡直径、间距、速度等参数，可精准调控所生成结构的尺寸与周期，实现空腔纺锤、实心纺锤、锯齿等不同模式的高效构建。这种方式有效摆脱了传统喷丝孔模具对结构的限制，体现了流体力学驱动下的界面编程制造思想。图2：气液两相流调控图3：气液两相流纺丝过程不同结构在物理性能上呈现显著差异，空腔纺锤结构纤维因其内部中空率高达32.3%，可稳定储存14.4 μL/cm的水分，在湿度波动较小但需持续输出电信号的应用场景中表现尤为出色；而实心纺锤结构纤维则凭借其紧凑均匀的表面形貌，展现出13.6 μg/s·cm²的高效吸湿速率，适用于快速湿度扰动的实时响应监测；相比之下，锯齿结构纤维则以其表面周期性锯齿引导液滴形成定向水桥，使水转移速率高达6303 μm/s，为水汽驱动信号的强化与呼吸节律的精准追踪提供理想界面。这些差异化的水行为能力不仅直接影响水伏发电输出的稳定性与强度，也为纤维在智能感知场景下的个性化功能定制提供了坚实的结构基础。团队制备海藻酸钠（SA）桥接的1T-MoS₂复合纺丝液，通过多种表征手段证实SA成功插层到MoS₂层间，且层间距增大，材料有序度提高。将该复合纺丝液用于制备具有周期结构的纤维，得到具有特定结构的水伏纤维。电学性能方面，不同结构纤维的界面形貌显著影响了其水伏发电能力。空腔纺锤结构纤维因具备良好的储水能力与较高比表面积，可在水汽持续释放过程中实现稳定发电，其开路电压可达0.33 V，短路电流达418 nA，整体功率密度达到3.25 µW/cm²，在三类结构中表现最为均衡，适用于长时间低功耗设备供能。实心纺锤结构纤维由于其吸湿速率快、水分富集速度高，能够在短时间内快速激发界面电势，输出电流可达267 nA，电压为0.19 V，更适合于突发湿度扰动下的响应性能源单元。相较之下，锯齿结构纤维凭借其表面周期性凹槽与引导水汽方向迁移的特性，促进了界面电荷的快速分离与迁移，使得其电压输出达到0.29 V，电流337 nA，表现出优异的综合电性能与信号输出稳定性，特别适用于集成化柔性传感系统中的“信号放大”模块。三类结构的组合不仅丰富了器件在不同场景下的功能配置，也验证了仿生结构对水–界面能量转换行为的显著增强作用。图4：纺丝液表征及水电伏特纤维制备图5：纤维-水相互作用和结构响应电行为为验证智能纤维在实际生理监测中的应用潜力，研究团队将其集成至3D打印面罩中，构建出一套可穿戴式智能呼吸监测系统。该系统以结构纤维（e-fiber）作为核心感知单元，结合微控制器（Arduino）、无线通信模块与LED/蜂鸣器反馈装置，实现了从信号采集、处理、传输到输出的闭环感知能力。实际佩戴测试中，该智能面罩可准确识别正常呼吸、剧烈运动后呼吸及睡眠呼吸暂停等多种生理状态，并能通过无线网络将数据实时上传至终端设备，用于远程健康监测与呼吸疾病预警。此外，口罩设计采用双腔结构引导左右鼻腔气流分别作用于不同传感区域，结合e-fiber的高灵敏响应，进一步实现了鼻周期的连续跟踪与可视化统计，为鼻炎诊断、睡眠障碍干预等医学场景提供了全新解决方案。该系统整体柔软贴合、结构可更换，具备良好的佩戴舒适性与长期使用稳定性，展示出其在未来智能医疗穿戴设备中的广阔应用前景。图6：智能面罩应用总结：本研究团队通过气液两相流仿生纺丝技术实现了功能性纤维结构的精准调控，并在可穿戴水伏发电与智能呼吸感知领域取得重要突破。这一研究不仅深化了仿生纺丝机制的理解，也为可穿戴电子器件的“自感知—自供能”一体化设计提供了全新方案。https://www.nature.com/articles/s41467-025-59585-6来源：高分子科学前沿
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网址：东华大学/中科院上硅所刘宣勇、邱家军团队《自然·通讯》：气液两相流纺丝构建水伏柔性电子器件 https://www.yuejiaxmz.com/news/view/1349774

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