关于“通过径向限域与轴向拉伸制备具有近吉帕拉伸强度的连续MXene纤维”研究的学术报告

本研究由来自中国多所顶尖研究机构的科学家团队共同完成。主要作者包括黄超杰（Chaojie Huang）、陈颖（Ying Chen）、张腾远（Tengyuan Zhang）、高恩来（Enlai Gao）等七位贡献相等的作者，通讯作者为万思杰（Sijie Wan）和程群峰（Qunfeng Cheng）。作者单位包括中国科学技术大学苏州高等研究院、北京航空航天大学、北京大学口腔医院、武汉大学、中国科学技术大学化学与材料科学学院以及上海理工大学能源材料科学研究所。这项研究成果于2026年发表在 Nature Communications 期刊上。

一、 学术背景 该研究属于先进材料科学领域，具体聚焦于二维纳米材料的宏观组装与高性能纤维制造。MXene，特别是碳化钛（Ti₃C₂Tₓ）MXene，作为一种新兴的二维过渡金属碳/氮化物，因其优异的力学性能、高导电性和丰富的表面化学性质，被视为构建下一代智能纤维和织物的理想基元材料。然而，将微观的MXene纳米片组装成宏观的连续纤维面临巨大挑战。传统的湿法纺丝等方法制备的MXene纤维普遍存在因纳米片横向褶皱而产生的孔隙、纳米片排列不整齐以及层间相互作用弱等问题，这些问题严重损害了纤维的机械强度、导电性和环境稳定性，阻碍了其在实际可穿戴智能纺织品等领域的应用。因此，开发一种能够大规模制备兼具高强度、高导电性及优异稳定性的MXene纤维的策略，具有重要的科学意义和应用价值。本研究旨在解决上述瓶颈问题，通过创新的工艺设计，实现MXene纳米片在纤维中的高度致密化和定向排列，从而最大化发挥其本征优异性能。

二、 详细工作流程 本研究的工作流程是一个集成的、连续的制造过程，主要包括材料制备、纤维纺丝与后处理、结构表征、性能测试以及应用演示等多个环节。

1. 材料制备：首先，研究团队采用改进的最小化强度层剥离法（modified minimally intensive layer delamination method）从Ti₃AlC₂ MAX相前驱体中剥离出Ti₃C₂Tₓ MXene纳米片。通过X射线衍射验证了成功剥离，测得纳米片的平均横向尺寸约为11.0微米，厚度约为1.25纳米。同时，制备了海藻酸钠（Sodium Alginate, SA）溶液，这是一种生物相容性良好的生物材料，富含可与钙离子（Ca²⁺）配位并与MXene形成氢键的羟基和羧基。

2. 纤维连续化制备（核心创新工艺）：该研究的核心是开发了一种“同轴湿法纺丝辅助径向限域”与“卷对卷辅助轴向拉伸”相结合的连续化制备策略。具体步骤如下：

   • 同轴湿法纺丝与离子交联：将MXene溶胶（46 mg mL⁻¹）和SA溶胶通过一个同轴喷丝头（内针28G，外针21G）共同挤出到氯化钙（CaCl₂， 5 wt%）凝固浴中。在此过程中，Ca²⁺迅速渗透到整个纤维中，一方面与SA分子的羧基发生离子交联，形成凝胶状的SA封装层；另一方面，Ca²⁺也与MXene纳米片表面的官能团发生配位，起到桥连作用。这一步初步形成了“MXene芯-SA壳”结构的凝胶纤维。
   • 卷对卷轴向拉伸与洗涤：随后，凝胶纤维进入一个卷对卷（roll-to-roll）系统，在近室温条件下被连续拉伸（拉伸比SR定义为收集速度v₁与挤出速度v₀之比），并经过去离子水洗涤以去除残余盐分。轴向拉伸力促使MXene纳米片沿纤维轴向进一步排列对齐。
   • 干燥与收集：最后，经过拉伸和洗涤的纤维被干燥，收集成卷，最终得到被称为“限域拉伸MXene纤维”的产品。作为对比，研究团队还制备了未限域未拉伸的原始MXene纤维、仅经轴向拉伸的MXene纤维（SM纤维）以及仅经径向限域（不同SA浓度）的MXene纤维（CM纤维），以系统评估各工艺步骤的贡献。

3. 结构表征与性能测试：对制备的各种纤维进行了全面的表征。

   • 微观结构分析：利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察纤维的横截面和纵截面形貌，评估孔隙率和纳米片排列情况。通过小角X射线散射和密度测量定量分析孔隙率。利用广角X射线散射并结合赫尔曼取向因子定量评估MXene纳米片的取向度。通过X射线光电子能谱和傅里叶变换红外光谱分析化学组成和键合作用（如Ca²⁺桥连、氢键）。
   • 力学与电学性能测试：通过万能材料试验机测试纤维的拉伸应力-应变曲线，获得拉伸强度、杨氏模量、韧性和断裂应变等参数。使用四探针法测量纤维的电导率。
   • 稳定性与功能性测试：评估了纤维在潮湿空气中的抗氧化稳定性、在循环拉伸/弯曲载荷下的疲劳性能、在超声处理下的结构耐久性。测试了纤维的焦耳加热性能（包括升温速度、最高温度和循环稳定性）以及作为导线的实用性。
   • 织物制备与应用性能：将CSM纤维手工编织成大面积的纺织品。测试了纺织品的电磁干扰屏蔽效能、屏蔽机制（吸收与反射）、在循环弯曲和洗涤后的性能稳定性，以及生物相容性（通过细胞培养实验）。

4. 理论模拟：研究还采用了粗粒度分子动力学模拟，从理论上验证了径向限域和轴向拉伸对减少孔隙、提高纳米片排列有序度的协同作用，与实验结果相互印证。

三、 主要研究结果 研究结果系统性地证实了所提出的协同策略的有效性，并展示了CSM纤维卓越的综合性能。

1. 结构优化结果：微观结构表征揭示了工艺的显著效果。原始MXene纤维横截面存在大量由横向褶皱导致的大孔隙，孔隙率高达15.3%。仅经轴向拉伸（SM纤维）或仅经径向限域（CM纤维）后，孔隙率分别降至12.1%和11.9%。而经过径向限域与轴向拉伸协同处理的CSM纤维展现出最致密的结构，孔隙率大幅降低至7.47%。广角X射线散射分析表明，湿态MXene纤维的纳米片取向因子为0.795，干燥后因毛细管收缩引起的褶皱，取向度下降至0.717。相比之下，CSM纤维在干燥后保持了极高的取向度，达到0.903。此外，CSM纤维的层间距（1.20 nm）小于原始MXene纤维（1.32 nm），进一步证明了其结构的紧实。这些结构数据清晰地表明，SA层的径向限域作用有效抑制了干燥过程中的毛细管收缩和横向褶皱，而轴向拉伸则促进了纳米片的轴向排列，两者协同作用实现了MXene纳米片的高度有序、紧密堆积。

2. 力学与电学性能突破：得益于高度有序、致密的结构以及Ca²⁺和SA带来的强层间相互作用（离子键和氢键），CSM纤维实现了性能的飞跃。其拉伸强度达到创纪录的958 ± 29 MPa，是原始MXene纤维（96 MPa）的约10倍；杨氏模量为26.7 ± 1.5 GPa，约为原始纤维的3倍；韧性为66.3 ± 3.7 MJ m⁻³，约为原始纤维的76倍。同时，致密且排列整齐的结构为电子传输提供了高效路径，使CSM纤维的电导率高达13,692 ± 116 S cm⁻¹，优于所有对比样品和此前报道的大多数MXene纤维。性能对比图显示，CSM纤维的强度、韧性和导电性均显著超越了此前通过湿法纺丝制备的纯MXene纤维和MXene复合纤维。

3. 卓越的稳定性与功能性：CSM纤维展现出优异的综合稳定性。SA封装层和致密结构阻碍了氧气和水分的渗透，使其在潮湿空气中存放14天后仍能保持94.6%的初始电导。由于协同致密化效应有效消除了作为初始裂纹源的孔隙，CSM纤维的抗疲劳性能大幅提升，可在650-700 MPa应力下循环拉伸26,793次，循环弯曲6000次后电导保持率达97.5%。超声处理60分钟后，其电导率保持率高达98.1%，结构完整性完好。CSM纤维还具有出色的焦耳加热性能，在4V电压下可快速升温至约103°C，且在5000次开关循环中表现稳定，在不同弯曲或打结变形下加热性能保持一致。

4. 纺织品的优异应用性能：利用CSM纤维编织的纺织品展现出非凡的电磁干扰屏蔽能力。厚度为108微米的纺织品在8.2-12.4 GHz频段内的平均屏蔽效能达70.3 dB，计算得到的厚度归一化屏蔽效能高达6509 dB cm⁻¹，超越了以往报道的由聚合物、金属、碳基或MXene复合纤维编织的纺织品。屏蔽机制分析表明，吸收是主要的屏蔽机制。该纺织品在经历10万次弯曲循环后，仍能保持96.3%的初始屏蔽效能，经过1000次洗涤后保持92.0%，显示出极佳的服务稳定性。细胞实验表明该纺织品具有良好的生物相容性。

四、 研究结论与价值 本研究成功开发了一种在近室温条件下连续制备高性能MXene纤维的策略，通过同轴湿法纺丝引入SA层实现径向限域，并结合卷对卷工艺进行轴向拉伸，协同消除了由横向褶皱产生的孔隙，并大幅提高了MXene纳米片的轴向排列有序度。所制备的CSM纤维集合了接近吉帕级的超高拉伸强度、高电导率、优异的抗氧化性、抗疲劳性和耐久性。基于此纤维编织的大面积纺织品具有卓越的电磁干扰屏蔽效能、焦耳加热性能、服务稳定性和生物相容性。

该研究的科学价值在于：1）为二维纳米材料（如MXene）的宏观组装提供了新的思路，即通过径向物理限域与轴向机械拉伸的协同来同时解决纳米片排列和堆积密度的问题；2）深入揭示了结构（孔隙、取向、层间作用）与性能（力学、电学、稳定性）之间的构效关系。其应用价值巨大：该策略不仅为实现MXene在可穿戴智能纺织品（用于电磁屏蔽和个人热管理）中的实际应用铺平了道路，而且为其他二维纳米材料（如石墨烯、氮化硼等）的可规模化组装成高性能纤维开辟了一条通用途径。

五、 研究亮点 1. 性能创纪录：制备的MXene纤维实现了958 MPa的拉伸强度和13,692 S cm⁻¹的电导率，这是当时报道的湿法纺丝MXene纤维中的最高值之一。 2. 方法创新性：提出了“径向限域”与“轴向拉伸”协同的原创性连续制备策略。其中，SA层的原位桥连与封装不仅提供了径向收缩力来压实纤维、减少褶皱孔隙，还通过与Ca²⁺的配位及与MXene的氢键增强了层间相互作用，同时其自身的完整性保证了纤维在高速拉伸时不破裂。 3. 问题解决全面：该策略同时攻克了MXene纤维制备中长期存在的孔隙率高、纳米片排列差、层间作用弱三大核心难题，实现了结构-性能的协同优化。 4. 性能均衡卓越：获得的纤维不仅在单一指标上突出，更在强度、导电性、柔韧性、环境稳定性和抗疲劳性等多项关键性能上达到高水平均衡，满足了实际应用对材料综合性能的苛刻要求。 5. 应用示范成功：成功将纤维编织成纺织品，并系统展示了其在电磁屏蔽、焦耳加热等方面的优异性能和稳定性，验证了其实际应用潜力。

六、 其他有价值内容 研究还通过系统的对比实验（MXene, SM, CM, CSM纤维），清晰剥离并量化了轴向拉伸和径向限域各自对结构改善和性能提升的贡献，以及二者协同的增强效应。理论模拟与实验结果相互支撑，增强了结论的可靠性。此外，研究对纤维的失效机制（CSM纤维的内外层几乎同时断裂）、SA层在拉伸过程中的结晶度变化及其对限域效果的增强等细节也进行了探讨，体现了研究的深度。