超薄纳米纤维薄膜具有独特的性能，如可控的厚度、结构和优异的机械强度，在柔性可穿戴设备、电子皮肤和可充电电池中发挥着至关重要的作用。尽管纳米纤维薄膜用作纺织品时很坚固，但其机械性能始终受到限制，这主要是由于使用传统制造方法导致的结构缺陷。
近期，武汉理工大学张鹏超团队与青岛科技大学滕超团队合作，共同提出了一种基于微流控的连续打印策略，用于制备具有可控厚度和优异机械性能的自支撑超薄纳米纤维膜，有望为柔性电子设备和能源存储等领域的应用提供新的选择。相关研究以“Mechanically robust ultrathin nanofibrous films by using microfluidic-based continuous printing”为题目发表于期刊《Materials Horizons》。
本文要点：
1、本研究提出了一种基于微流控技术的连续打印策略，成功制备出具有良好机械性能的自支撑超薄纳米纤维膜。
2、通过精确控制微流体在微米尺度内的流动，得到的芳纶纳米纤维（ANF）膜厚度可低至140±25nm，其抗拉强度达到667±40MPa，比传统铸造法制备的膜提高了120%。
3、这种超薄ANF膜的卓越机械韧性源于双面质子化处理，形成与铸造膜不对称结构相比更为对称致密的结构。
4、此外，该研究还展示了使用微流控打印策略连续制备再生纤维素纳米纤维（RCNF）和二乙酸纤维素（CDA）薄膜，这些基于微流控的薄膜在强度上都有显著提升。
5、总体而言，这种微流控打印技术为先进超薄纳米纤维膜的实用化开发提供了一条有前景的途径。
使用基于微流控的连续打印策略制备纳米纤维膜的主要优势包括：
1、可控厚度：通过调节微通道高度和纳米纤维分散液浓度，可将超薄纳米纤维膜的厚度精确控制在140±25nm至1015±68nm范围内。
2、优异机械性能：与传统铸造法制备的膜相比，微流控打印的纳米纤维膜表现出显著增强的拉伸强度和杨氏模量。例如，微流控打印的芳纶纳米纤维膜拉伸强度可达667±40MPa，较铸造膜提高了120%。
3、对称致密结构：微流控打印支持双面溶剂交换，使膜的上下表面形成对称的致密结构，与铸造膜下表面松散的非对称结构形成对比。
4、连续无基底制备：微流控打印实现了大面积自支撑纳米纤维膜的连续制备，无需基底支撑。
5、通用性：该微流控打印策略不仅适用于芳纶纳米纤维膜，也成功应用于制备再生纤维素纳米纤维膜和二乙酸纤维素膜，展现出广泛的适用性。
总之，基于微流控的连续打印策略提供了一种高效通用的方法，可制备出性能优异、可控性强的超薄纳米纤维膜，在柔性电子和能源存储等领域具有广阔应用前景。
微流控打印技术在制备超薄纳米纤维膜时可能遇到的常见问题及其解决方案如下：
问题1：微通道堵塞
解决方案：使用适当粒径的原料，并确保打印前溶液充分分散和过滤，以避免微通道内的颗粒堵塞。
问题2：薄膜厚度不均匀
解决方案：通过精确控制流体的流速和压力，以及优化微通道设计，确保薄膜在整个打印区域内的厚度一致。
问题3：纳米纤维排列不规律
解决方案：调整流体动力学条件或引入外部导向机制（如电场、磁场），以促进纳米纤维沿特定方向排列。
问题4：打印过程的重复性差
解决方案：实现打印过程的自动化控制，减少人为操作带来的变异性，并通过定期校准设备来保持打印参数的一致性。
问题5：环境因素影响打印质量
解决方案：在受控环境（如洁净室）中进行打印，并控制打印环境的温度和湿度，以减少环境因素对打印过程的影响。
图1.利用基于微流体的连续打印策略连续制造聚合物薄膜。
图2.对超薄ANF薄膜宽度和厚度的控制。
图3.超薄ANF薄膜的机械性能。
图4.基于微流控打印和浇铸策略制备ANF薄膜的过程示意图。
图5.基于微流控打印和浇铸策略制备的再生纤维素纳米纤维薄膜的力学性能和扫描电镜图像。
图6.基于微流控打印和浇注策略制备的二乙酸纤维素纳米纤维膜的力学性能和扫描电镜图像。
原文链接：https://doi.org/10.1039/D4MH00487F
