柔性电子是未来智能设备的关键，碳纳米管（CNT）凭借其优异性能成为理想材料，但易团聚的问题阻碍了应用。功能化可提升分散性但可能改变CNT性质。本研究以羧化纤维素纳米纤维（C-CNF）为绿色分散剂，通过界面相互作用实现了CNT的高效稳定分散。所得复合材料兼具导电性和柔性，可应用于印刷电子与多功能传感。
 


图1：CCNT分散液的制备与表征
a. 提取C-CNFs的示意图。
b. 形成CCNT浆料的示意图。
c. CCNT墨水在水中快速扩散的实物照片。
d. CCNT浆料的透射电镜图像。
e. 基于C-CNFs与CNT分子间π-π共轭效应及静电排斥协同作用的分散机理示意图。
解析如下：

1. 结构清晰：
   图注采用分项说明（a-e），分别对应图中的不同子图，便于读者对应理解图的各个部分。
2. 内容层次：
   • a、b部分：聚焦材料制备流程的示意图，分别展示C-CNFs的提取和CCNT浆料的形成，体现实验设计的逻辑性。
   • c部分：通过实物照片直观呈现CCNT墨水在水中的扩散行为，验证其分散效果。
   • d部分：采用透射电镜图像从微观尺度展示CCNT浆料的形貌，提供结构证据。
   • e部分：总结分散机理，强调π-π共轭效应与静电排斥的协同作用，点明研究的理论核心。
3. 学术意义：
   该图注完整覆盖了从材料制备、表征到机理阐释的全链条，典型体现了材料科学研究中“结构-性能-机理”的论证思路。机理部分突出非共价相互作用的协同效应，对理解纳米复合材料的分散稳定性具有重要价值。

 

图2 C-CNF与CNT之间的相互作用。a CNF、CNT和CCNT薄膜的XRD谱图。b CNF、CNT和CCNT薄膜的拉曼光谱。c CNF、CNT和CCNT薄膜的FT-IR光谱。d 纯CNF薄膜及e CCNT复合薄膜的高分辨率C1s XPS谱图。f C-CNF与CNT之间界面相互作用的示意图。**
该图注是典型材料表征研究的说明，其逻辑清晰、内容全面。具体解析如下：
1.  **内容结构**：图注采用“总-分”结构，首句点明主题（界面相互作用），随后通过a至e子图列举了多种光谱学表征手段以提供证据，最后以示意图f对机理进行总结。
2.  **表征方法全面**：
    *   **a. XRD (X射线衍射)**：用于分析材料的晶体结构，可判断CNT的加入是否改变了CNF的结晶性。
    *   **b. 拉曼光谱**：对碳材料高度敏感，特别适用于表征CNT的缺陷（D峰）、石墨化程度（G峰）及其与CNF的相互作用（如峰位偏移）。
    *   **c. FT-IR (傅里叶变换红外光谱)**：用于鉴定材料表面的官能团（如CNF的羧基、羟基），可探测CNF与CNT之间可能形成的氢键等相互作用（如峰位移动）。
    *   **d & e. XPS (X射线光电子能谱)**：特别是高分辨率C1s谱，可精确分析碳元素的化学态，为C-CNF与CNT之间通过氢键、π-π堆积等形成的化学相互作用提供直接证据。
    *   **f. 示意图**：将上述表征结果综合，以直观的模型展示推测的界面相互作用机制，如氢键、π-π堆积和静电作用，是整个图的结论性呈现。
3.  **研究逻辑**：该图展示了从宏观性能（图1）深入到微观结构与界面机理（图2）的完整研究路径。通过多种互补的表征技术，从不同角度交叉验证了C-CNF与CNT之间存在有效的界面相互作用，这正是实现CNT稳定分散和复合材料高性能的关键。
综上，该图注及其对应的图表共同构成了一份关于“C-CNF与CNT界面相互作用”的微型研究报告，逻辑严谨，证据链完整。
 

图3 C-CNF与CNT相互作用的分子动力学模拟结果。a C-CNF模型：表面链中每隔一个葡萄糖单元被葡萄糖醛酸单元取代，代表高度氧化的C-CNF。羧基排列在晶体外部；b 系统在0、5和20 ns时的快照。水和离子均已隐藏；c C-CNF与CNT表面间距在0、5和20 ns时的分布直方图与估计密度；d C-CNF羧基周围的快照。e、f分别为C-CNF与CNT分子在0-20 ns间的距离和能量变化曲线。
这段文字是分子动力学模拟研究的图注，其内容解析如下：

1. 结构层次清晰：
   • a部分：说明C-CNF的建模方法，明确指出通过葡萄糖醛酸单元替代来实现高度氧化，且羧基外露的排列方式，这为后续相互作用提供了结构基础。
   • b-d部分：呈现模拟过程的动态结果：
     • b为不同时间点的系统快照，可视化吸附过程。
     • c通过距离分布统计定量描述C-CNF与CNT的接近程度。
     • d聚焦羧基局部，展示关键官能团的相互作用细节。
   • e-f部分：给出定量分析曲线，分别展示距离和结合能随时间的变化，直接验证相互作用的稳定性与驱动力。
2. 研究逻辑严谨：
3. 从模型构建（a）→ 动态过程可视化（b、d）→ 统计分析（c）→ 能量定量验证（e、f），完整呈现了分子模拟“从结构设计到能量验证”的研究闭环。
4. 隐藏水和离子（b）突出主体结构，聚焦核心相互作用。
5. 通过模拟揭示了C-CNF与CNT的吸附动力学过程及羧基的关键作用。
6. 距离与能量曲线（e、f）为实验观察到的稳定分散现象提供了理论解释和能量学依据。
7. 科学意义明确：

 

图4 自支撑CCNT薄膜的表征
a 薄膜的截面形貌
b CCNT通过蒸发和真空过滤驱动自组装的示意图
c 具有面内取向的自组装CCNT薄膜示意图
d 不同CCNT复合薄膜的力学性能分析
e 不同培养天数下各实验组的细胞存活率
f CNT、CNF和CCNT薄膜的水接触角
g 不同CCNT薄膜的电导率和电阻率
h-j 薄膜经历500次弯曲循环、10次扭曲循环和100次胶带剥离循环后的电阻变化
具体解析如下：

1. 结构层次递进：
   • a-c部分聚焦材料本体结构：从实际截面形貌（a）到制备过程机理（b），再到最终薄膜的取向结构示意图（c），清晰呈现了材料从制备到成型的结构特征。
   • d-j部分系统评价性能表现：依次涉及力学性能（d）、生物相容性（e）、表面润湿性（f）、导电性能（g）及使用耐久性（h-j），构成完整的性能图谱。
2. 表征体系完整：
3. d部分力学性能：定量分析不同配比复合膜的机械特性。
4. e部分生物相容性：通过细胞实验验证材料生物安全性，对可穿戴应用至关重要。
5. f部分表面性质：接触角测试直接反映材料亲疏水性，影响器件集成与应用。
6. g部分电学性能：核心导电指标，决定传感器灵敏度。
7. h-j部分耐久性：模拟实际使用中的弯曲、扭曲、粘附等工况，验证器件可靠性。
8. 该表征体系完整覆盖了柔性电子材料“结构-性能-应用” 的研究范式。
9. 特别将生物相容性（e）与机械/电学性能并列，凸显了面向可穿戴健康监测应用的材料设计理念。
10. 耐久性测试（h-j）直接回应了柔性器件在实际使用中的稳定性关切。
11. 学术价值突出：

图5 CCNT墨水的应用。a 通过圆珠笔绘制制备的纸基电路（上图）及连接电路点亮LED灯的照片（下图）。b 丝网印刷工艺示意图（上图）及连接电路点亮LED灯的照片（下图）。c CCNT基导电纺织品的制备示意图（上图）及连接电路点亮LED灯的照片（下图）。d 印刷在纸、纺织品和PVDF基底上的墨水及其电阻照片。e 由CCNT制成的触摸屏手套操作智能手机的照片，例如触摸、书写和放大（从左到右）。f CCNT基传感器的电热性能和热稳定性能：不同电压下的电热性能及不同电压下的电热曲线。g-j CCNT基柔性电容器的表征，例如：CCNT基电容器示意图、电容器在不同扫描速率下和平坦及弯曲状态下的循环伏安曲线，以及不同扫描速率下计算的面电容。
该图注系统展示了CCNT墨水在不同应用场景下的性能与潜力，其内容全面且具有明确的递进逻辑：

1. 结构层次清晰：
   • a-c部分集中展示CCNT墨水在柔性电路制备方面的多样化加工技术，涵盖了从简单手绘（a）、规模化丝网印刷（b）到纺织品功能化（c）的完整技术路径，并通过点亮LED这一直观方式验证了电路的导电功能。
   • d部分展示了墨水在多种基底（纸、纺织品、PVDF） 上的印刷适性与导电性，体现了其良好的基材普适性。
   • e部分聚焦于人机交互应用，以触摸屏手套为例，展示了CCNT墨水在可穿戴交互设备中的直接应用潜力。
   • f部分深入探究了基于CCNT墨水的电热功能，通过不同电压下的性能与曲线，为热管理或电热传感应用提供了依据。
   • g-j部分进一步拓展至储能器件领域，展示了CCNT墨水在制备柔性电容器方面的电化学性能，包括不同状态下的循环伏安曲线和面电容计算，体现了其在柔性电子领域的多功能性。
2. 研究逻辑严谨：
3. 从基础导电功能验证（a-c，点亮LED）→ 基材普适性展示（d）→ 具体交互应用演示（e）→ 专项功能深入分析（f，电热性能）→ 高端功能器件探索（g-j，储能器件），形成了一个从基础到应用、从通用到专用的完整展示链条。
4. 每个子图均采用“示意图/制备过程展示”与“实际性能/效果验证”相结合的方式，增强了结果的可信度与直观性。
5. 该图注系统性地揭示了CCNT墨水在印刷电子、柔性电路、智能纺织品、可穿戴传感与人机交互、电热器件及柔性储能设备等多个前沿领域的应用潜力，充分展现了其作为多功能电子材料的强大竞争力。
6. 应用前景广泛：

 

图6 基于CCNT的可穿戴应变/压力传感器在人体运动检测、人体生理信号收集及电子皮肤检测中的应用。对各种人体运动和生理信号（包括a手腕脉搏、b呼吸、c吞咽、d说话、e触摸、f行走、g弯曲、h握拳和i肘部弯曲）的实时记录。**
该图注展示了CCNT基传感器在人体多模态信号监测中的广泛应用，体现了其在健康监测和人机交互领域的巨大潜力。具体解析如下：
1.  **内容高度集成与系统化**：
    *   **主题明确**：开篇点明图6的核心是展示传感器在 **“人体运动检测”、“生理信号收集”** 和 **“电子皮肤检测”** 三大领域的应用，覆盖了从宏观运动到微观生理、从外部机械刺激到内部生命体征的全方位监测。
    *   **监测对象全面**：图中列举的a-i九项信号，系统性地涵盖了**生命体征**（脉搏、呼吸）、**复杂生理活动**（吞咽、发音）、**肢体大动作**（行走、弯曲、握拳、肘部弯曲）以及**外部交互**（触摸）等多个维度。这种设计清晰地展示了传感器具备从健康监护到运动分析，再到人机接口的广泛适用性。
2.  **研究逻辑与学术价值**：
    *   **递进关系**：信号的排列（a-i）可能隐含着从**静态、微弱生理信号**（脉搏、呼吸）到**动态、主动的肢体运动**（行走、弯曲）的测试难度和应用场景的拓展，体现了传感器兼具**高灵敏度**与**宽动态范围**的优异性能。
    *   **应用导向突出**：直接指向最具前景的应用场景——**可穿戴健康监测与电子皮肤**。对吞咽、发音等复杂信号的监测，暗示了其在临床康复（如吞咽障碍患者监测）和智能交互（如无声指令识别）中的特殊价值。
    *   **技术验证充分**：通过“实时记录”多种差异显著的信号，强有力地证明了CCNT传感器在**信号多样性、响应可靠性、穿戴舒适性**等方面的综合实力，为其实际应用奠定了扎实的实验基础。
总而言之，此图注不仅是简单的图示说明，更是一份关于CCNT基可穿戴传感器多功能应用性能的“精炼报告”，突显了该材料从实验室走向实际健康与交互应用的广阔前景。
       本研究开发了基于C-CNF高效分散CNT并制备高性能复合材料的策略。所得油墨可稳定分散并适用于多种基材与印刷工艺。复合薄膜具有高导电性（67 S cm⁻¹）与良好机械性能（153 MPa）。基于此制备的传感器能有效监测人体运动与生理信号，展现了在智能穿戴与健康监测领域的应用潜力。https://doi.org/10.1007/s42765-024-00388-7

转自《石墨烯研究》公众号