三明治结构MXene/ZnO NRs:WO3/CNT涂层棉织物：面向高性能可穿戴电子的多功能集成新策略

为了解决传统可穿戴纺织品功能单一、依赖纯导电材料而难以兼顾高性能、多功能性与织物舒适性的难题，研究人员开展了一项关于集成半导体和导电纳米材料的多层结构涂层的主题研究。他们成功在棉织物上构建了MXene/ZnO NRs:WO3/CNT三明治结构涂层，使织物同时具备了优异的应变传感（GF=0.47，响应/恢复时间~200 ms）、高效的焦耳加热（~110°C，~15 s内）和高性能电磁干扰(EMI)屏蔽（~34.4 dB）能力，且不牺牲其柔韧性、轻量化和透气性。这项研究为设计下一代多功能智能纺织品提供了新的范式，突破了传统单一导电方法的局限。

想象一下，你身穿一件看似普通的棉质T恤，但它不仅能实时监测你的心率、呼吸，感知你的每一个细微动作，还能在你感到寒冷时自动发热保暖，甚至能屏蔽周围无处不在的电磁辐射。这不是科幻电影里的场景，而是“智能纺织品”领域科学家们孜孜以求的目标。随着技术进步和对可持续性的日益重视，纺织品已从传统的防护材料演变为智能交互平台。其中，将柔性传感、实时健康监测、能量管理、电磁屏蔽等多种功能集于一身的“多功能纺织品”，被视为下一代可穿戴技术的基石。然而，当前大多数研究主要依赖于金属或碳基导电材料，功能相对单一，且难以在不牺牲织物固有的柔韧性、透气性和穿着舒适度的前提下，实现性能的显著提升。如何设计一种既能实现高性能多功能集成，又能保持织物本质优点的材料体系，是领域内亟待突破的关键挑战。

为此，来自韩国成均馆大学等机构的研究人员Thirumalaisamy Suryaprabha、Chunghyeon Choi、Byungil Hwang等人开展了一项创新性研究。他们独辟蹊径，将目光投向了半导体金属氧化物，并将其与明星导电材料巧妙结合，在普通棉织物上构建了一种前所未有的“三明治”结构涂层。这项题为“Hierarchical MXene/ZnO Nanorods: WO₃/CNT Trilayer Coatings on Cotton for High-Performance Multifunctional Wearable Fabrics”的研究成果，成功打破了传统设计的局限，相关论文发表在材料科学领域的顶级期刊《Advanced Science》上。

为开展此项研究，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，采用“最小强度层剥离法”从Ti₃AlC₂粉末合成Ti₃C₂T_xMXene纳米片分散液。其次，通过水热法在预先涂覆MXene的棉织物上原位生长WO₃掺杂的氧化锌(ZnO)纳米棒(NRs)。最后，通过浸渍法在最外层沉积碳纳米管(CNT)涂层，从而完成MXene/ZnO NRs:WO₃/CNT三层结构在棉织物上的逐步构建与整合。

研究结果

4.1 棉织物上三明治结构涂层的制备

研究人员设计了一种由MXene导电底层、WO₃掺杂ZnO NRs半导体中间层和CNT导电顶层组成的“三明治”涂层。该设计基于三个原则：建立连续的MXene基层以实现电荷传输和电磁衰减；引入垂直排列的WO₃-ZnO NRs以引入介电对比和应变响应行为；应用CNT顶层以增强导电网络和机械耐久性。制备过程依次为：棉织物浸涂MXene、水热生长WO₃-ZnO NRs、浸涂CNT，最终形成多功能织物。3/CNT-coated cotton fabric designed for multifunctional applications.">

4.2 改性棉织物的表面表征

扫描电子显微镜(SEM)图像清晰地展示了涂层逐步构建的过程：原始棉纤维表面光滑；涂覆MXene后，纳米片紧密包裹纤维；水热生长后，ZnO NRs垂直均匀排列在纤维表面，其中可见WO₃片状结构；最后，CNT网络均匀缠绕包裹整个结构。截面SEM证实了三层结构的形成。X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)分析进一步证实了MXene、六方纤锌矿结构ZnO、单斜晶系WO₃以及相关化学键的成功引入与集成。热重分析(TGA)表明，三层涂层显著提高了棉织物的热稳定性。简单的视觉演示证实了最终织物具有超轻、透气（允许气体透过）和高度柔韧的特性。3 cotton; and (k-m) MXene-ZnO NR:WO₃/CNT cotton. (n) Cross-sectional SEM image of the trilayer coating on the fabric. (o) EDX elemental mapping of MXene-ZnO NR:WO₃/CNT-coated fabric.">3, and MXene/ZnO NRs:WO₃/CNT-coated cotton. (c) XPS survey spectra of coated and uncoated cotton samples. High-resolution XPS spectra of (d) C 1s, (e) O 1s, (f) Ti 2p, (g) Zn 2p, and (h) W 4f for MXene/ZnO NRs:WO₃/CNT-coated cotton fabric. (i) TGA curves of surface-modified cotton samples. Photographs demonstrating the (j) light weight, (k) breathable, and (l) flexible characteristics of MXene/ZnO NRs:WO₃/CNT-coated cotton.">

4.3 多功能棉织物的导电性和电磁干扰屏蔽性能

经过五层MXene涂层、ZnO:WO₃生长和两层CNT涂层优化后，织物的方块电阻从原始的绝缘状态降至约15 Ω/sq。在X波段频率范围内，三层涂层织物的总电磁干扰屏蔽效能达到约34.4 dB，相当于屏蔽了99.9%的电磁波，超过了20 dB的实用阈值。机制分析表明，屏蔽以反射为主，但吸收也贡献显著。高导电的MXene和CNT层提供反射和传导损耗，而半导体ZnO:WO₃中间层引入了介电对比和界面极化，增强了电磁波吸收。通过堆叠多层织物，屏蔽效能可进一步提升至约78 dB。3/CNT-coated cotton fabric. (h) EMI SE of MXene/ZnO NRs:WO₃/CNT-coated cotton with “n” layers.">

4.4 MXene/ZnO:WO₃/CNT涂层棉织物的焦耳加热和除冰性能

得益于高导电性，涂层织物表现出高效的焦耳加热性能。在3.5 V电压下，织物表面温度可在约15秒内快速升至约110°C，并保持长期稳定。加热温度与电压平方呈近线性关系，且经过10次开关循环后性能依然稳定。基于优异的电热性能，该织物被证明可用于快速除冰应用，在4 V电压下，与织物接触的冰在10分钟内完全融化，远快于自然融化速度。3/CNT-coated cotton fabric. (b) Temperature profile of the multifunctional cotton fabric. (c) Temperature response of MXene/ZnO NRs:WO₃/CNT-coated cotton fabric under stepwise increasing applied voltages. (d) Temperature stability of MXene/ZnO NRs:WO₃/CNT-coated cotton fabric at a constant voltage of 3.5 V. (e) Cyclic thermal stability at 3.5 V. (f) Relationship between equilibrium temperature and voltage (U2) for the MXene/ZnO NRs:WO₃/CNT fabric. (g) IR thermal images at different time intervals. h Photographs and IR thermal images showing the ice-melting performance of the MXene/ZnO NRs:WO₃/CNT-coated cotton fabric.">

4.5 MXene/ZnO NR:WO₃/CNT棉织物的应变传感及实时人体运动监测性能

涂层织物展现出优异的应变传感能力。在0%至75%的拉伸应变范围内，其灵敏度因子为0.47，高于不含ZnO:WO₃的MXene/CNT织物。该传感器对不同速度的拉伸、弯曲、扭转和手指按压均能产生一致且可重复的电阻响应。经过2000次10%应变的拉伸-释放循环后，传感信号依然稳定。其响应和恢复时间极快，分别约为200 ms和210 ms。在实际应用中，该织物传感器被成功用于监测手指、手腕、肘部、膝盖和颈部等多种人体运动，信号清晰可辨。3/CNT-coated cotton fabric. (a) Relative resistance change under different strain levels. (b) Relative resistance change under various stretching states. Resistance response under different (c) bending, (d) twisting, and (e) finger pressing cycles. (f) Strain-sensing stability under 2000 cycles of stretching and releasing at 10% strain. (g) Relative resistance change under stretching. (h) Response and recovery time as a strain sensor. (i) Schematic of the conductive network changes during stretching and pressing.">3/CNT cotton fabric.">

4.6 高级应用：紧急莫尔斯电码信号与安全线警报系统

研究进一步探索了该多功能织物的实时交互信号能力。将其作为传感器佩戴在手指上，可以通过有节奏的弯曲来模拟发送“点”和“划”的莫尔斯电码信号，在电阻变化输出上呈现出清晰可辨的时间分辨信号。此外，将织物集成到设定的安全警戒线上，当有人（如脚踩）跨越并施加压力时，织物电阻的显著变化可触发外部视听警报，展示了其在工业或危险环境中作为实时警报系统的潜力。3/CNT-coated cotton fabric for emergency signaling. (b) Photographs of MXene/ZnO NRs:WO₃/CNT-coated cotton fabric used as a warning system for safety-line crossing.">

洗涤耐久性评估

为了评估实际应用潜力，研究人员对涂层织物进行了洗涤耐久性测试。经过10次剧烈洗涤循环后，虽然外层的部分CNT网络被剥离，导致方块电阻升高至~285 Ω，但锚定在ZnO NRs:WO₃框架内的CNT网络仍然存在，保持了导电通路。相应地，EMI屏蔽效能降至~16 dB，焦耳加热最高温度降至~77°C，但仍保持良好的应变传感性能。这表明该三层结构具有一定的洗涤耐久性，其性能衰减主要归因于外层CNT的部分损失。3/CNT-coated cotton fabric. (a–c) FE-SEM images of the MXene/ZnO NR: WO₃/CNT coating before washing. (d–f) FE-SEM images of the MXene/ZnO NR: WO₃/CNT coating after 10 washing cycles. (g) EMI shielding effectiveness after washing. (h) Joule heating performance at an applied voltage of 3.5 V for ~15 s after washing. (i) Strain-sensing performance of the MXene/ZnO NR: WO₃/CNT-coated cotton fabric at 25% strain after 10 washing cycles.">

研究结论与意义

本研究成功制备了一种集MXene、WO₃掺杂ZnO NRs和CNTs于一体的三明治结构涂层多功能棉织物。该分层设计巧妙地规避了传统单一导电材料体系的局限，通过半导体中间层的引入，不仅解决了MXene易重新堆叠的问题，还创造了丰富的异质界面，从而实现了导电与半导体纳米结构之间的协同效应。

该织物同时展现出卓越的多功能性能：高灵敏、快响应的应变传感能力，可用于精准的人体运动监测；高效、快速的焦耳加热性能，适用于可穿戴热疗和紧急除冰；以及强大的电磁干扰屏蔽效能，且可通过增加层数进一步提升以满足商业标准。尤为重要的是，所有这些高级功能的实现，并未以牺牲棉织物固有的轻质、柔韧和透气性为代价。

超越基础性能表征，该织物在紧急莫尔斯电码信号传输和安全警戒线警报系统等实际场景中的成功演示，凸显了其在任务关键型应用中的巨大潜力。尽管在多次洗涤后性能有所衰减，但核心功能得以保留，证明了该结构设计具有一定的实用鲁棒性。

综上所述，这项研究不仅仅是一种新材料的合成，更代表了一种新颖的多功能可穿戴纺织品设计范式。它通过理性的多层架构，将导电材料的高性能与半导体材料的独特优势相结合，为开发下一代集传感、加热、屏蔽于一体的高性能、舒适型智能电子纺织品开辟了新的道路，在个人安全、健康监测、特种服装及柔性电子等领域具有广阔的应用前景。