Cell姊妹刊Matter启航！张莹莹3D打印蚕丝电子织物首发上线！

第一作者：张明超 

共同通讯作者：张莹莹  翟俊宜    

通讯单位：清华大学，中科院北京纳米能源与纳米体统研究所         

DOI：10.1016/j.matt.2019.02.003

发展了一种一步法制备智能电子织物的策略

通过将同轴喷丝头集成到3D打印机上，直接打印丝素蛋白-碳纳米管皮芯结构纤维

在普通织物上可轻松制备个性化多功能图案

展示了皮芯结构智能图案在能量收集/存储方面的运用

电子织物（E-textiles）通过将功能电子元件整合在织物上，促成了传统纺织行业与新型电子行业的融合。传统的织物具有很多明显的优点，比如高柔性、拉伸性、透气性等。但如果将块体的硬质电子元件整合进织物会大大降低织物的穿戴舒适性。为了缓解这个问题，研究者尝试将功能电子元件制成纤维状并编织进织物中，这种方式在一定程度上提高了电子织物的穿戴舒适性，然而，制备电子功能纤维并整合进织物这种相对繁琐的过程会导致高昂的成本。开发高效、便捷、低成本、可个性化的制备电子织物的方法仍待开发。

    蚕丝被誉为纤维皇后，是一种常见的天然蛋白纤维，开辟了我国古代丝绸之路，并伴随了几千年的文明发展历程。蚕丝具有的良好的生物相容性、无毒无刺激、可生物降解、产量丰富等优点，是构建电子织物的极具潜力的原材料。

针对电子织物的发展需求，本工作提出了通过同轴3D打印方法一步制备智能电子织物的策略，通过将自行设计的同轴喷丝头集成到3D打印机上，实现了在织物上功能性皮芯结构纤维和智能电子器件的直接打印。作为该策略的一种展示，作者使用丝素蛋白作为介电皮层，碳纳米管作为导电芯层，在织物上构建了蚕丝智能图案，通过对人体运动时衣物摩擦产生的静电进行收集，可实现能源的富集。此外也可以直接打印图案化的超级电容器电子织物，从而实现对能源的管理。

图1.通过同轴3D打印技术在织物上制作由皮芯结构纤维构成的智能图案。此处以丝素蛋白和碳纳米管分别作为皮层和芯层为例。

图2.所用丝素蛋白材料和碳纳米管打印墨水中材料的微观形貌和墨水的流变性能。

丝素蛋白和碳纳米管墨水通过注射泵连接在装有同轴喷丝头的3D打印机上，两种打印墨水同时被挤出并直接在织物基底上形成皮芯结构纤维（图1）。可任意定制个性化智能图案，所获得的电子织物具有良好的柔性。

图3. 丝素蛋白/碳纳米管皮芯结构纤维的微观形貌

所打印的纤维由丝素蛋白介电皮层和导电碳纳米管芯层构成。打印浆料良好的分散性和适当的流变性是保证顺畅打印并形成稳定打印结构的关键（图2）。所用的氯化钙/甲酸体系溶解的丝素蛋白具有明显的微纤形貌，其较高程度地保留了天然蚕丝中丝素蛋白的原始二级结构，有利于使纤维具备优良的力学性能。另一方面，通过水溶性高分子辅助分散的碳纳米管水溶液具有良好的分散性，克服了打印过程中易堵塞喷头的问题。两种打印墨水都具有明显的剪切变稀性能，良好的储能模量等流变性能，使得既可以顺畅打印，又可形成稳定的皮芯结构纤维（图3）。

图4.由丝素蛋白/碳纳米管皮芯结构构成的智能图案用于能量的收集。

作为该技术制备得到的智能图案化电子织物的概念展示，作者使用由丝素蛋白皮层和碳纳米管芯层构成的皮芯结构智能图案，实现了将人体运动时衣物摩擦产生的静电进行收集，可获得高达18 mW/m2功率的电能输出（图4）。此外，所用皮芯材料可以灵活选择和搭配，以实现更多的功能，例如，作者还展示了这种方法制作超级电容器电子织物，用于能量存储。

该工作为电子织物的灵活、高效制作提供了一种新思路，可通过3D打印技术实现各种个性化电子织物的制作；通过对皮芯结构材料的选择，可实现多种功能；更为重要的是，可通过选择多种墨水组合，将不同功能的单元一次性的集成在织物中（类似于彩色打印机中装有不同颜色的墨水），为穿戴电子的集成提供了便捷的途径。可以想象，未来服饰上的图案不再仅承担传统的审美或商标功能，还将承担信号收集、信息交互、能源管理等新功能，一场纤维和织物的革命正在悄然酝酿之中。

张莹莹，清华大学化学系副教授，博士生导师，教育部青年长江学者。2007年于北京大学取得博士学位，2008年至2011年在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室从事博士后研究，2011年7月起就职于清华大学。主要从事面向柔性可穿戴器件的功能碳材料与蚕丝材料的制备、性能和应用研究。在相关领域取得了一系列原创性成果，发表SCI论文90余篇，包括以通讯作者发表的Nat Nanotechnol、Nat Commun、JACS、Adv Mater、Adv Funct Mater、Nano Letters等。获授权专利10项。研究成果曾被Nature Nanotechnology、C&EN、Scientific American、Phys.org、NanotechWeb、Nanowerk、科技日报等专题报道。合著书籍一本，参著书章两节。曾获得国家优秀青年科学基金（2014）、万人计划青年拔尖人才（2016）等资助。

翟俊宜，中科院北京纳米能源与系统研究所研究员，青年千人计划入选者。2009年于弗吉尼亚理工材料科学与工程系取得博士学位，2009年4月起在洛斯阿拉莫斯国家实验室纳米中心做博士后研究，2012年9月起任现职。主要从事压电半导体材料的制备、外延功能氧化物生长和表征、新型多功能电子学和光电子器件设计与应用等方面的研究。至今已在Nature Nanotechnology、Advanced Materials、ACS Nano、 Applied Physics Letter等杂志上发表90余篇论文，引用超过3000次，H因子36。