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  MXene（Ti?C?T?）作為一種新興二維材料，憑借其優異的導電性、力學性能和化學穩定性，在柔性電子、儲能器件和傳感器等領域展現出廣闊的應用前景。然而，MXene納米片易產生褶皺，層間作用力較弱，且在宏觀纖維成型過程中易引入孔隙等結構缺陷，導致其纖維的強度與韌性遠未達到實際應用要求，成為制約其發展的關鍵瓶頸。以往研究多采用“去除孔隙+增強層間作用”的策略以提高強度，但往往伴隨纖維脆性增加、韌性下降，難以實現強度與韌性的平衡。因此，如何在保持高導電性的同時，兼顧高強度、高韌性與柔軟性，成為MXene纖維研究中的核心挑戰。

  鹿角作為一種天然的高強度、高韌性生物復合材料，其內部展現出多孔、致密堆積、可滑移接縫等多級結構（圖1a）。這些結構在受力時可誘發剪切變形、分散應力，并通過骨單元間的滑動有效抑制裂紋擴展，從而實現強韌協同。受此啟發，研究團隊提出了一項突破常規的設計思路：不再致力于消除孔隙，而是主動利用其固有的孔隙結構，通過構建剛性和可滑移雙重界面結構，與微納孔結構協同，以實現對MXene纖維的協同增強增韌效應。

  基于該仿生理念，研究團隊成功設計并制備出MXene/PEDOT:PSS/聚輪烷復合纖維。通過引入半結晶態PEDOT，與MXene通過靜電相互作用形成“強界面”，模擬鹿角中承擔剪切應力的同心層狀結構；同時，利用滑環分子聚輪烷與MXene表面的羥基進行共價交聯，構建出“滑移界面”，模仿鹿角中高礦化接縫的互鎖機制，從而在形變過程中有效耗散能量。尤為關鍵的是，研究一反常規地保留了約20%的最優孔隙率。這些微孔并非缺陷，而是如鹿角中的孔洞一般，為納米片滑動提供空間，緩解應力集中，并顯著降低纖維剛度（圖1b–e）。

圖1 受鹿角啟發的高強韌MXene復合纖維的設計與結構表征.

  這種仿生三重協同結構帶來了纖維力學性能的顯著提升。最終制得的MXene纖維展現出優異的綜合力學性能：強度超過1 GPa，韌性高于130 MJ/m3，斷裂應變大于30%，三項核心指標均創下MXene纖維的最高紀錄。特別值得注意的是，在實現超高強度的同時，其楊氏模量僅為3.5 GPa，柔軟性甚至優于多種聚合物纖維，成功解決了強度與柔軟性難以兼得的矛盾。經銀納米線涂層修飾后，纖維電導率進一步提升至10575 S/cm以上，且力學性能未發生衰減（圖2）。

  為深入探究其強韌化機制，研究團隊結合多種實驗表征與理論模擬進行分析。分子動力學模擬清晰顯示，在拉伸過程中，尤其在較高應變下，聚輪烷鏈主要承擔拉伸應變，而PEDOT區域則負責界面剪切應力，從而有效維持了相鄰MXene納米片間的載荷傳遞。MXene-PEDOT界面的存在延緩了應變在MXene-聚輪烷界面的局部集中，使MXene纖維在斷裂前能夠更充分地發揮聚輪烷的輪滑效應。這種雙界面協同作用顯著提升了纖維的延展性、強度與韌性，為其在復雜力學環境中的應用奠定了理論基礎（圖2f）。有限元分析進一步證實，微孔結構為滑移界面提供了更長的滑移距離，在釋放應力集中的同時，維持了材料在大變形范圍內的承載能力（圖3e,f）。

圖2 MXene復合纖維的機械性能對比和MD模擬表征。

圖3 微孔結構對MXene復合纖維力學性能的調控及FEM模擬表征.

  此外，該MXene基纖維還表現出優異的機械彈性、耐疲勞性、柔軟性與加工適應性。測試結果顯示，其在不同應變下均可實現近乎完全的彈性回復，并能承受超過10萬次拉伸循環而性能不衰減。得益于高柔軟性與彈性，MXene纖維可折疊并緊密打結而不斷裂，同時具備良好的加工性能，能夠通過針織、編織和刺繡等工藝與棉織物復合形成復雜圖案，為智能紡織品的實際應用提供了有力支持（圖4）。

圖4 MXene復合纖維的彈性及耐久性表征.

  基于該纖維的卓越性能，研究團隊成功開發出適用于智能紡織與可穿戴電子的多功能傳感系統。他們研制了兩種高性能傳感纖維器件：一種為對壓力敏感的纖維電容器件，響應迅速且可穩定工作超過1000次循環；另一種為對溫度敏感的纖維電阻器件，檢測精度高達0.1°C。通過優化傳感器排布與電路集成結構，實現了機械—電氣可靠的一體化連接。在此基礎上，團隊構建了一套完整的血壓監測系統，結合血壓模型與脈搏波分析算法，集成信號處理與無線傳輸模塊，實現了運動狀態下生理參數的實時、穩定采集。實驗表明，即使在數萬次揮拍的高強度運動中，該系統所測得的血壓與溫度數據仍與醫用設備高度一致，展現出優異的抗干擾能力與可靠性。該研究為多功能傳感織物的設計與系統集成提供了新思路，有力推動了其在運動健康監測、臨床診斷和個性化醫療等領域的實際應用（圖5）。該工作以“Biomimetic strong and tough MXene ?bers with synergy between micropores and dual interfaces”為題發表在《Nat. Commun.》上。文章的第一作者為南開大學博士生谷建鋒、李東輝、碩士生任藝晨，以及中國科學技術大學博士生李嘉豪。

圖5 傳感纖維、智能紡織品及健康監測應用.

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-64647-w

梁嘉杰教授簡介：

  梁嘉杰，南開大學材料科學與工程學院教授，博士生導師。2011年博士畢業于南開大學高分子研究所；隨后加入美國加州大學洛杉磯分校從事博士后研究工作；2014年加入美國Polyradiant公司；2016年加入南開大學材料科學與工程學院開展獨立工作。梁嘉杰教授一直致力于研究高分子納米復合材料與柔性智能穿戴器件的研究。研究領域涵蓋高分子化學與物理、材料科學與工程、化學、電子工程學以及物理學等眾多交叉學科。近年來發表論文50余篇，包括Nature Photonics, Nature Communications等國際著名期刊雜志，論文他引13000多次。入選國家級青年人才項目，天津市杰青，天津市中青年科技創新領軍人才，江蘇省雙創人才，并獲中國復合材料學會青年科技獎。