《Industrial Crops and Products》：Rigid–flexible synergy in luffa-derived carbon aerogel: Ultra-low shrinkage, high elasticity, and cycle-stable wearable piezoresistive sensing
编辑推荐：
为解决农业废弃物高值化转化过程中因热解导致的结构降解和性能损失难题，研究人员开展了丝瓜络纤维(LVF)/氧化石墨烯(GO)/海藻酸钠(SA)复合碳气凝胶(CLVF-rGO-SA)的刚柔协同结构设计研究。通过定向冷冻构建有序多孔结构，并利用SA与LVF间的氢键及GO的物理交联作用，成功将热解收缩率降低64%，所得材料兼具优异机械强度(8 kPa)和超弹性(500次循环后高度恢复率>90%)。该传感器在0.1–10 kPa低压范围内表现出高灵敏度(1.37 kPa?1)、快速响应(58 ms)及超5000次循环稳定性，为可穿戴健康监测提供了可持续解决方案。
在全球追求碳中和与可持续发展的背景下，如何将量大面广的农业废弃物“升级再造”为高性能功能材料，已成为连接材料科学与环境科学的战略前沿。特别是富含纤维素的丝瓜络等农业废弃物，具有高度有序的多孔微观结构和丰富的碳源储备，为开发环境友好、高性能的可持续碳材料提供了坚实的原料基础。然而，该领域长期面临一个基础科学难题：如何实现生物质天然多尺度结构向兼具优异机械鲁棒性和高灵敏度的功能碳材料的高保真转化？传统热解碳化过程中，生物质由于组分复杂和层级结构，不可避免地会发生半纤维素和木质素的分解以及纤维素框架的脱水重组，导致严重的体积收缩和多孔网络塌陷，致使材料机械性能显著降低，尤其是弹性和抗疲劳性能损失。这一“结构不稳定性”瓶颈已成为阻碍生物质基碳材料迈向高端柔性电子和智能应用的核心技术壁垒。
为突破这一瓶颈，发表在《Industrial Crops and Products》上的这项研究，创新性地提出并实现了一种“刚柔协同”的多尺度锚定策略。研究团队巧妙地将废弃丝瓜络纤维的天然刚性微管骨架、海藻酸钠的柔性分子链和氧化石墨烯的纳米片在不同尺度上进行整合，通过定向冷冻构建有序结构，并结合一步碳化工艺，成功制备出了一种超低收缩、高弹性且循环稳定性优异的可穿戴压阻传感材料。
研究人员为开展此项研究，主要运用了以下几个关键技术方法：首先，对天然丝瓜络进行脱胶处理获得丝瓜络纤维；其次，采用改良的Hummers法制备氧化石墨烯；接着，将丝瓜络纤维、氧化石墨烯分散液与海藻酸钠溶液按比例混合，通过定向冷冻技术构建有序的三维网络结构前驱体（LVF-GO-SA气凝胶）；最后，在氮气氛围下进行程序升温碳化，得到最终的碳气凝胶（CLVF-rGO-SA）。此外，还通过场发射扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱、X射线衍射等技术对材料的微观形貌、化学组成和结构进行了系统表征，并利用万能试验机和电化学工作站对材料的机械性能和压阻传感性能进行了测试。
3.1. CLVF-rGO-SA气凝胶的制备与结构调控分析
通过“刚柔协同”结构锚定策略，成功构建了超轻高弹性碳气凝胶。研究发现，海藻酸钠作为“分子水泥”与丝瓜络纤维形成密集氢键网络，构建了半互穿聚合物网络，显著增强了前驱体凝胶的机械强度和胶体体系的静电稳定性。氧化石墨烯作为“纳米增强铆钉”，有效“锁定”了精细结构前驱体，使热解过程中的体积收缩率从82%显著降低至18%。扫描电镜结果显示，材料具有高度有序的分层多孔结构，包括蜂窝状微管阵列和由还原氧化石墨烯片包裹纤维素碳骨架形成的高度取向层状结构。X射线衍射、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱分析共同证实，该策略在原子和纳米尺度上实现了生物质精细三维有序结构在苛刻热解条件下的有效保护和传递，成功转化为高度有序、化学稳定且功能预设的多功能碳材料。
3.2. CLVF-rGO-SA气凝胶的机械性能
该碳气凝胶表现出卓越的压缩回弹性，即使在高达95%的极端压缩应变下，其三维多孔网络仍能保持结构完整性，并在应力移除后恢复超过90%的初始高度。随着氧化石墨烯浓度从5 mg·mL?1增加至15 mg·mL?1，材料的压缩强度从3 kPa线性增加至8 kPa。这种增强效应源于纳米尺度的界面增强和微观尺度的结构锁定。循环加载-卸载测试揭示了材料在不同应变阶段具有可控的能量吸收和耗散机制。经过500次50%大应变循环后，其结构保留率和应力保留率分别达到90%和80%以上，表现出优异的抗疲劳性能。有限元分析结果直观揭示了材料在宏观变形下应力均匀分布，无灾难性应力集中区，从理论上验证了其从分子到微观尺度的能量耗散接力机制。
3.3. CLVF-rGO-SA气凝胶传感器的压力与应变响应性能
该气凝胶独特的微管结构在还原氧化石墨烯的精确修饰下，自然形成了三维连续、高效稳定的导电网络，是其压阻传感性能的物理基础。电流-电压曲线呈完美线性，表明材料内部形成了高质量的欧姆接触。其传感机制呈现复杂的双模式响应：在低应变区（<30%），量子隧穿效应主导电子传输，实现超高灵敏度；在高应变区（>60%），欧姆接触成为主导机制，确保信号稳定性和宽检测范围。在优化的氧化石墨烯浓度（10 mg·mL?1）下，传感器在0–0.4 kPa低压区的灵敏度高达1.37 kPa?1。动态响应测试显示，其在1 kPa瞬时压力下的响应和恢复时间分别达到58 ms和150 ms。经过5000次耐久性测试，传感器的电流响应曲线几乎完全重叠，表现出近乎为零的长期稳定性衰减。
3.4. CLVF-rGO-SA传感器在多部位人体信号检测中的应用
将传感器集成到可穿戴装置中，进行了一系列人体生理信号和复杂运动的原位监测。实验表明，该传感器不仅能满足传统可穿戴监测需求，还能捕获此前难以检测的微弱生理信号。通过施加不同的指尖压力，可以精确线性控制发光二极管的亮度。当传感器附着于手指关节时，能准确将不同的弯曲角度（30°、60°、90°）转化为阶跃式、可区分的电流信号。置于颈动脉处时，传感器成功捕获了完整且高信噪比的脉搏波形，可清晰区分收缩期初始波、外周反射波和舒张期起始波。此外，该传感器还能准确记录吞咽时喉部的细微运动以及不同幅度摆腿产生的动态信号，展示了其在多模态、全方位人体状态监测中的多功能性和鲁棒性。
本研究成功提出并验证了一种名为“刚柔协同”的多尺度结构设计新范式。通过分子编程与组装，将废弃丝瓜络纤维转化为具有卓越机械鲁棒性和高保真传感能力的多功能碳气凝胶，为解决高性能柔性电子器件的环境足迹问题提供了一种新颖的、受自然启发的解决方案。该“刚柔协同”策略通用性强，为将各种低价值生物质转化为先进功能材料提供了统一的技术蓝图。更重要的是，其全生物基的绿色属性和可生物降解性，为开发环境友好的瞬态电子和植入式器件开辟了新途径，完美契合了未来电子产品“从摇篮到摇篮”的生命周期理念。这项研究为推动全球碳中和与可持续发展目标贡献了一种源于生物质的创新解决方案。
