InfoMat:具有高压缩性的仿生木质衍生碳海绵

具有高电导率,大表面积和高孔隙率的轻质可压缩碳质材料可以在各种应用中实现,例如储能,污染物处理,电子设备和传感器。在过去的几十年中,可压缩的碳质材料通常由石墨烯,碳纳米管,碳纳米纤维和富勒烯构成。石墨烯因其出色的电气和机械性能而成为最受欢迎的成分之一。尽管这些材料显示出理想的电气和机械性能,但制造过程仍然很复杂,并且起始原料通常包含不可再生的化石资源。

生物质衍生的碳质材料具有许多优点,例如重量轻,可再生性和出色的化学稳定性,为构建可压缩含碳材料提供了一种简单而诱人的替代方法,而无需使用有限的化石资源。基于这一概念,近来多种生物质材料已转变为可压缩的碳质材料。但是,由于使用这些生物质结构设计的困难,因此与衍生自石墨烯或碳纳米管的材料相比,所得材料显示出较差的电气和机械性能。

大自然总是为材料设计和开发提供丰富的灵感来源。许多天然的多孔材料(例如植物茎)细长但结实,这可以归因于其结构排列在从纳米/微米到宏观水平的复杂层次结构中,尽管它具有多孔性且由较弱的成分组成,但仍具有出色的机械强度。例如,再力花(Thalia dealbata)的茎杆具有层状结构,这些层状结构通过桥梁相互连接,使其坚固,灵活,轻便,可在频繁的狂风中生存。

浙江农林大学孙庆丰团队与华中科技大学李会巧团队受到自然界再力花优异的压缩性能和力学性能启发,利用环保可再生的木质纤维,脱除木质素以后通过冷冻铸造技术获得有序的桥梁支撑层状结构,随后经过碳化得到一种高压缩率和强度的压敏电阻传感器。文中对材料的力学性能和压敏性能进行了检测,与传统的碳材料和有机材料相比提升了2-5倍。并对其实际监测人体运动性能进行了探索,结合碳海绵本身具备的轻质、生物相容和化学稳定特性,结果显示该材料在智能穿戴设备和人体运动监测领域有较好的应用前景。相关工作在线发表在InfoMat(DOI:10.1002/inf2.12075)上。