气液两相泡流纺丝技术制备水伏柔性电子器件及其在智能诊疗中的应用

研究人员针对功能性纤维集成传感与发电的挑战，受蜘蛛多模态纺丝启发，开发了气液两相泡流纺丝技术，制备出空心、实心纺锤及锯齿状纤维。该技术通过调控水分吸附与传输行为，实现了2.18 mW/cm3功率密度、43小时稳定运行及9.36 mV/RH%/s灵敏度，并应用于鼻循环监测智能口罩。研究为结构响应型水伏材料设计提供了新范式，推动纺织电子学发展。

　　

在可再生能源与智能医疗领域，如何通过环境水分交互实现无化学反应发电，是水伏技术（Hydrovoltaic）的核心挑战。传统功能性纤维难以兼顾能量收集与传感性能，主要受限于水分传输行为的精准调控。蜘蛛丝的多模态纺丝机制与植物（如猪笼草）的定向输水结构为这一难题提供了仿生灵感，但现有纺丝技术难以复现复杂形态，且MoS₂等二维过渡金属二硫化物（TMDC）的质子扩散特性尚未在纤维结构中充分开发。

为解决这些问题，东华大学的研究团队在《Nature Communications》发表论文，提出气液两相泡流纺丝技术。该研究通过模拟蒸汽冷凝器中气液混合流动现象，结合计算流体动力学（CFD）模拟，设计出可编程气泡触发凝胶变形机制，成功制备出空心纺锤结（CSK）、实心纺锤结（SSK）和凹面锯齿（CRT）纤维。关键实验技术包括：1）光电流传感器（PES）监测气液两相流模式；2）SA（海藻酸钠）桥接1T相MoS₂的湿法纺丝；3）微计算机断层扫描（Micro-CT）三维形貌表征；4）变温傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析质子传输机制；5）基于Arduino的呼吸监测智能口罩系统集成。

Bionic concepts, principles, and applications
研究通过CFD模拟揭示了单气泡、弹状流和环状流三种流态（图1B），设计出蜘蛛吐丝器启发的喷嘴（图1C）。SA桥接MoS₂的氢键网络使纺丝液具备高度可纺性，Ca²⁺交联稳定了纤维结构。空心纺锤结构通过液滴包裹形成，实心纺锤由弹状流破裂产生，而环状射流则在高剪切下形成锯齿表面（图1E）。

Fluid properties of gas-liquid two-phase flow
光电传感系统量化了气泡长度与压力关系（图2C-D），发现SA溶液中的气泡尺寸极化更显著（图2G）。粘弹性界面膜避免了牛顿流体中常见的瞬时融合现象（图S9E-F），亲水通道（θ=35°）通过前驱膜传播产生更长气泡（图S10）。

The gas-liquid two-phase flow for fibers fabrication
调节气液流速比（Q_g/Q_l）可控制纤维形态转变：88时形成空心纺锤（图3A2），107时产生实心纺锤（图3A3），136.6时生成锯齿结构（图3A4）。力学测试显示空心纺锤纤维断裂伸长率最高，而实心纺锤和锯齿纤维拉伸强度降低15-22%（图S19D）。

Characterization of spinning liquid
原子力显微镜（AFM）显示SA桥接使MoS₂层间距从0.65 nm增至0.90 nm（图4D-E）。X射线衍射（XRD）证实（002）晶面间距扩大33.7%（图4G），小角/广角X射线散射（SAXS/WAXS）显示轴向取向因子达0.69（图4I）。

Fiber-water interaction
空心纺锤纤维在95%RH下吸水率达414%（图5C），实心纺锤纤维雾收集量44.6 μL/mm（图S28G），锯齿纤维输水速度达6890 μm/s（图5E）。红外成像显示液滴沿锯齿定向移动（图S29C），符合拉普拉斯压力差驱动的净力模型（图S29D）。

Hydrovoltaic performances
SA-b-1T-MoS₂纤维在85%RH下产生0.40 V电压，功率密度2.18 mW/cm³（图5H）。变温FTIR揭示了质子跳跃（E_A=0.5-0.9 eV）与Grotthuss机制（E_A=0.11 eV）的转换临界点为46.5℃（图S36C）。

Applications
仿生蜘蛛网发电机连续输出1.2 V电压（图6D-F），锯齿纤维集成口罩可监测阻塞性睡眠呼吸暂停（图6H）。多腔室设计实现了左右鼻呼吸信号分离（图6L），Python程序分析鼻周期（图6R-S）。

该研究通过仿生纺丝技术突破了纤维形态单一的限制，建立了结构-功能响应理论。空心结构优化水分存储，锯齿形态加速质子传输，为水伏材料设计提供了普适性框架。智能口罩系统展示了其在远程医疗（Telemedicine）中的潜力，推动纺织电子学向精准健康监测迈进。