科学网—青岛大学隋坤艳团队：自取向梯度离子皮肤实现电磁屏蔽与自供电传感于一体
精选
已有 678 次阅读
2026-7-22 12:09
| 系统分类: 论文交流
Self-Oriented Gradient Ionic Skins for Dual-Function Electromagnetic Shielding and Self-Powered Sensing
Donghao Zhang, Xiaodan Wang, Na Pan*, Wenxin Fan*, Kunyan Sui*
Nano-Micro Letters (2026)18: 415
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02255-z
本文亮点
1. 一箭双雕，双重结构： 提出一种扩散-络合策略，在水凝胶内同步构建了面内取向MXene导电网络与纵向电荷梯度结构，将高效电磁屏蔽与自供电传感功能集成于单一 离子皮肤 体系中。
2. 性能优异，应用广阔： 所制离子皮肤兼具优异电磁屏蔽效能(48 dB)和突出自供电传感能力，具备高灵敏度(3.067 mV kPa⁻¹)、宽响应范围(0.05-80 kPa)、快响应速度(120-130 ms)和低压检测限(50 Pa)，在实时健康监测、人机交互等领域前景广阔。
研究背景
离子皮肤(Ionic skins, I-skins)因其在仿生信号传输和机械柔顺性方面的独特优势，被认为是下一代可穿戴电子设备的理想载体。当前，研究者们已赋予离子皮肤自愈合、超拉伸、离子门控等多种仿生特性，并通过引入非对称结构实现了自供电传感，使其能够灵敏地检测压力、温度等刺激。然而，随着5G/6G等高速无线技术的普及，电磁污染问题日益严峻，这对兼具柔性和智能的离子皮肤提出了新的挑战：如何在不牺牲其本征离子传导和生物相容性的前提下，为其集成高效电磁干扰(EMI)屏蔽功能。传统思路是在离子皮肤中添加高浓度的导电填料(如MXene、GO)来增强屏蔽效能，但这往往会损害其柔性、透明性和离子导电性。如何在较低填充量下实现有效屏蔽，同时保留甚至优化自供电传感性能，是当前该方向需要解决的问题。
内容简介
针对上述挑战， 青岛大学隋坤艳团队 跳出“单一功能优化”的桎梏，提出了一种巧妙的“扩散-络合”策略。他们利用低分子量壳聚糖(CS)同时作为反应物和渗透压调节剂，将其与高分子量 海藻酸钠 (SA)和MXene纳米片的混合液接触。这一过程实现了双重效应的完美耦合：一方面，CS扩散并与SA静电络合，自发形成了纵向的电荷梯度结构，赋予材料自供电传感的“灵魂”；另一方面，由渗透压差驱动的水凝胶定向收缩，诱导MXene纳米片实现了面内自取向排列，构筑了高效屏蔽电磁波的“铠甲”。这一设计，使得最终获得的离子皮肤在无需复杂多层堆叠的情况下，同时拥有了卓越的电磁屏蔽性能和灵敏的自供电压力感知能力。
图文导读
I 结构构筑：电荷梯度与取向结构的同步形成
如图1所示，该工作的核心在于一个简单的扩散-络合法。将盛有高浓度的CS溶液的培养皿浸入MXene/SA混合液中，界面处数分钟内即形成一层自取向梯度水凝胶膜。高浓度CS溶液扮演双重角色：作为反应物，它扩散进混合液并与SA络合，形成电荷密度从底部(LD侧)到顶部(HD侧)逐渐变化的梯度凝胶；作为渗透压调节剂，其高渗透压诱导凝胶沿厚度方向定向脱水收缩，使MXene纳米片沿平面方向规整排列。这种同步形成的电荷梯度与面内取向结构，是后续实现自供电传感与高效电磁屏蔽的基础。
图 1. 自取向梯度MXene-SA/CS离子皮肤的形成过程示意图 。
图2. 平面内取向结构和纵向电荷梯度表征。
II 屏蔽性能：面内取向结构实现高效电磁屏蔽
得益于MXene纳米片的面内取向结构，电磁波在该水凝胶内部遭遇了“迷宫”般的多重反射和散射路径。取向结构不仅充分利用了MXene的高导电性和丰富自由电子对电磁波的反射和吸收，其层状堆叠更构成了无数个反射界面，诱发了强烈的内部多重反射，极大地延长了电磁波的传播路径并增加了能量耗散。研究系统优化了MXene和SA的含量及水凝胶厚度。结果表明，仅使用1 wt%的MXene填充量，该离子皮肤的总电磁屏蔽效能(SET)即可达到45.4 dB，超过商用要求(20 dB)；当厚度增加至约0.7 mm时，SET进一步提升至约48 dB。其屏蔽机制以吸收为主，且在不同入射方向上表现出一定的可调性，展现了作为轻薄、高效柔性屏蔽材料的巨大潜力。
图 3. MXene-SA/CS离子皮肤的电磁屏蔽性能。
III 传感性能：电荷梯度结构赋予自供电压力传感
纵向的电荷梯度分布使得该水凝胶膜两侧存在自极化电位(Vs)，可直接作为自供电的传感单元，无需外接电源(图4)。当使用平滑电极时，离子皮肤工作在“厚度依赖”模式：外部压力使凝胶厚度减小，缩短了内部反离子的扩散距离，改变了浓度梯度，从而引起输出电压的下降。当使用粗糙的金属网电极时，则工作在“界面依赖”模式：压力首先显著增大电极与凝胶的有效接触面积，大幅提高界面电容，从而使输出电压急剧升高。研究发现，MXene纳米片的引入不仅能提升自极化电位，其作为“延伸电极”还进一步放大了界面电容效应，使得该离子皮肤的灵敏度远超不含MXene的对照组。最终，该自供电离子皮肤实现了3.067 mV kPa⁻¹的高灵敏度、低至50 Pa的检测限以及120 ms的快速响应，并能清晰区分不同强度和方式的触碰，甚至在声音识别和压力成像阵列中也展现出应用潜力。
图4. 厚度依赖与界面依赖型自供电离子皮肤的工作机制与传感性能 。
图5. MXene-SA/CS离子皮肤的传感应用。
IV 总结
本研究报道了一种通过简便的扩散-络合策略制备的自取向梯度MXene/聚电解质水凝胶，成功实现了兼具优异电磁屏蔽性能与高灵敏自供电传感功能的集成离子皮肤。
利用CS溶液的“反应物-渗透压调节剂”双重身份，在同一过程中同步构建了用于电磁屏蔽的面内取向的MXene网络和用于自供电传感的纵向电荷梯度，解决了两种正交结构难以集成的难题。该离子皮肤在仅1 wt%的低MXene填充量下，便实现了48 dB的卓越屏蔽效能(以吸收为主导)；同时，其电荷梯度结构赋予了器件高达3.067 mV kPa⁻¹的灵敏度和50 Pa的低检测限，兼具快速响应和良好稳定性。
这一集成策略巧妙而高效，不仅为发展兼具防护与感知功能的下一代可穿戴电子设备提供了全新思路，其所展示的同步构筑有序结构与梯度性质的方法，也有望在智能传感、柔性防护、人机交互等多个领域开辟新的应用可能。
作者简介
隋坤艳
本文通讯作者
青岛大学 教授
▍ 主要研究 领域
海洋高分子纤维、仿生智能水凝胶、柔性可穿戴与软体机器人等研究方向 。
▍ 主要研究成果
现任青岛大学材料科学与工程学院院长，中国材料研究学会纤维材料改性与复合技术分会常务理事、山东省材料学会常务理事。1991年毕业于青岛大学化学系，1998年于中国纺织大学获硕士学位, 2003年毕业于东华大学获工学博士学位, 2007-2010年浙江大学博士后，2014-2015年美国马里兰大学做访问学者。隋坤艳教授一直聚焦于海洋高分子材料的研究，主要包括海洋高分子纤维、仿生智能水凝胶、柔性可穿戴与软体机器人等研究方向，取得了多项创新性成果。主持及完成国家自然科学基金及省市各级科研项目20余项研究工作，研究成果在Sci. Adv.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Mater. Horiz.等国际主流期刊发表论文80余篇，获授权发明专利20余件。作为第一完成人，荣获山东省优秀研究生指导教师、青岛市三八红旗手标兵、山东省齐鲁巾帼发明家优秀奖等荣誉称号，多次获得山东省高校优秀科研成果奖二、三等奖；作为主要完成人荣获中国纺织工业联合会科学技术奖一等奖、山东省教学成果奖一等奖、青岛市自然科学奖二等奖、青岛市科技进步奖二等奖等多项奖励。
▍ Email： sky@qdu.edu.cn
撰稿：原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自纳微快报科学网博客。 链接地址： https://blog.sciencenet.cn/blog-3411509-1544683.html
上一篇： 物理所容晓晖&韩国Byoungwoo Kang等综述：固态锂/钠金属电池枝晶的多物理场建模与分析 欢迎参加科学网十佳博文评选活动！ 主办单位： 
支持单位： 