自供电智能纺织品是突破环境与能源限制的关键，但现有汗液蒸发发电机（TEG）面临两大瓶颈：一是依赖织物两端的湿度梯度，制约可穿戴实用性；二是亲水性材料遇水溶胀导致结构失稳，引发性能衰减。尽管纱线基TEG可通过纺丝直接嵌入功能组分，但主流湿法纺丝纱线缺乏天然纤维的定向通道结构，而碳纳米管（CNT）或氧化石墨烯（GO）纱线又受限于制备工艺难以规模化。如何平衡高效离子传输、结构稳定性与量产可行性，成为领域内长期挑战。

香港理工大学忻浩忠教授和东京大学安盟研究员合作团队受古蕨类植物（Neotiopteris antiqua）维管束启发，提出纳米组装新策略：通过浴法静电纺丝制备纳米纤维/石墨烯混合纱线，构建仿生一维定向纳米通道。经交联功能化处理后，纱线具备卓越抗溶胀性（浸水10天结构完好）和编织性能。单根4cm纱线在水环境中输出295 mV电压、1.82 μA电流，模拟汗液环境下提升至360.4 mV与2.57 μA。进一步将62cm纱线串并联集成防水织物后，输出电压达1.85 V，可驱动LED灯珠及电子显示屏。该成果为下一代自供电智能纺织品提供强韧高效的解决方案。相关研究成果以“Anti-Swelling Textile Power Generator with 1D Nanoscale Channel Alignment in Nanofiber/Graphene Hybrid Yarns”为题，发表在Advanced Functional Materials上。

仿生设计与通道革新

研究团队借鉴古蕨类植物维管束的一维输水通道（图1a），利用浴法静电纺丝实现纳米纤维与GO/MXene纳米片的原位复合。电场驱动聚合物射流在含纳米片的浴液中沉积，通过静电吸引与氢键作用实现纳米级均匀混合（图1b）。旋转牵伸使组分沿轴向有序排列，形成连续线性纳米通道（图1c）。相较于湿法纺丝纱线（WS）的曲折微米级孔道（>1000 nm），该混合纱线通道呈现定向直通结构（<1000 nm），显著提升水传输效率。

图 1. a) 纳米纤维/纳米片混合纱线的构建机制，b) WS纱线和纳米纤维/纳米片混合纱线的通道结构，以及 c) 纤维/纳米片接触方式。

结构调控与力学性能

通过第一性原理计算（图2a-c），证实含羟基的纤维素醋酸酯（CA）与GO的结合能（-0.85 eV）远高于无极性聚苯乙烯（PS，-0.38 eV），解释PS/GO纱线颜色偏浅（纳米片掺量低）的原因。CP/GO（CA/PAN混合）纱线表面（图2d-f）及截面（图2g-i）电镜显示，纳米纤维与GO片层紧密粘附且内外均匀分布，形成稳定圆柱结构。力学测试（图2j）表明，除PS基纱线外，其余混合纱线断裂应力均超20 MPa，可轻松提起100克砝码（图2k）并编织成织物（图2l）。

图 2. a–c) CA和PS与GO的表面结合能，d–f) CP/GO纱线的表面SEM图像，g–i) CP/GO纱线的截面SEM图像，j) 各种混合纱线的应力-应变曲线，k) 提起100克重物，l) 由CP/GO纱线编织的织物。

抗溶胀功能化突破

针对亲水纱线溶胀痛点，团队设计三步化学处理（图3a）：先脱乙酰化增加羟基密度，再经120℃加热激活封闭型异氰酸酯（BIC），最终通过聚氨酯反应实现纤维交联。交联纱线（caccg）保留一维纳米通道（图3b-c），纳米CT成像（图3d）显示通道连续定向，尺寸集中于1000 nm以下（图3e）。Zeta电位提升（图3f）证实表面负电荷增强，利于双电层（EDL）形成。交联网络使溶胀率从231%降至0.7%（浸水10天仅增0.6%）（图3h），同时机械强度提升35.2%（图3i），满足打结编织需求（图3j）。

图 3. a) CGB纱线的功能化处理过程，b,c) SEM图像，d) 纳米CT图像，e) 通道尺寸分布，f) Zeta电位，g) 水接触角，h) 抗溶胀能力，i) 应力-应变曲线，j) 力学性能的直观展示。

发电性能与环境适应性

基于EDL离子选择性迁移机制（图4e），4cm caccg纱线在水环境中输出稳定295 mV/1.82 μA（图4b-c），开路电压验证达360 mV（图4d）。有限元模拟（图4f）揭示：纳米通道互联结构（对比孤立微通道）显著加速水传输。性能优化路径包括：提升GO掺量增强导电性（图5c）、增加纱线长度扩大蒸发面积（图5d）、调控脱乙酰参数（图5a-b）。模拟汗液（2 g/L NaCl）中电压/电流升至360.4 mV/2.57 μA（图5g），60h持续发电验证稳定性（图5h）。

图 4. a) 测试TEG输出功率的原理图，b) 基于不同纱线的TEG的电压，c) 基于不同纱线的TEG的电流，d) 基于CdCGB纱线的TEG在稳态下的I-V曲线，e) 基于CdCGB纱线的TEG的机理图，f) 在10到48分秒时间跨度内，通过有限元模拟获得的微米尺度通道和纳米尺度通道中的水浓度分布，g) 电导率，h) 蒸发速率，i) 基于CGB、dCGB和CdCGB纱线的TEG的芯吸高度。

图 5. 基于CdCGB纱线的TEG在不同条件下的输出电压和电流：a) NaOH浓度，b) 处理时间，c) GO纳米片含量，d) 纱线长度，e) 环境温度，f) 空气流速，g) 液体环境，h) 输出电压稳定性，i) 输出电压和电流随外部电阻的变化。

可穿戴应用验证

单根纱线滴液测试（0.5 mL）输出322 mV/1.74 μA（图6b-c），反复蒸发-补水循环保持稳定（图6d）。四根纱线串/并联后电压/电流倍增（图6e-f）。通过串并联集成60根2厘米纱线制成防水织物（图6h），在持续汗液供给下输出1.85 V/17.32 μA/31.96 μW（图6i），成功点亮LED灯珠（图6j）。穿戴于志愿者手臂的发电袖套（图6k），进一步驱动电子显示屏运行。

图 6. a) 滴液测试原理图，b) 基于CdCGB纱线的TEG在不同液体中的电压（纱线长度为2厘米），c) 基于CdCGB纱线的TEG在不同液体中的电流（纱线长度为2厘米），d) 重复滴液和蒸发过程中的电压，e) 四根CdCGB纱线串联的电压，f) 四根CdCGB纱线并联的电流，g) 电容器充电时的V-t曲线，h) CdCGB纱线编织成纺织品的工作原理图，i) 六十根CdCGB纱线的平均电压、电流和功率，六十根CdCGB纱线编织成的防水织物为小型j) 灯珠和k) 显示屏供电。

总结与展望

该研究通过仿生纳米组装与交联功能化，攻克了纺织发电机溶胀失稳的核心难题。所开发的混合纱线兼具定向离子传输、长效防水稳定及织物集成能力，单纱至织物的多级性能拓展验证了其在可穿戴领域的应用潜力。未来通过优化通道排布与规模化生产，这类抗溶胀发电纺织品有望为智能服装、健康监测设备提供持续绿色能源。

（来源：高分子科学前沿）