纳米流体独特的选择性离子传输特性使其适用于能量收集和传感。然而，由于成本高、加工复杂和对外部电源的依赖，开发可扩展的自供电纳米流体器件仍然具有挑战性。

近期，安徽农业大学叶冬冬教授团队联合中国药科大学周湘等人，利用不对称流场调节藻类纤维素纳米纤维的组装过程，制备了表面扭曲、内部对齐的藻类纤维（加捻纤维），实现了高效的自供电尿液监测。相关研究内容以“Customizable Twisted Nanofluidic Cellulose Fibers by Asymmetric Microfluidics for Self‐Powered Urine Monitoring”为题目，发表在期刊《Advanced Functional Materials》上。

本文要点：

1、本研究利用非对称微流控技术制备了表面扭曲、内部对齐的藻类纤维（加捻纤维），实现了高效的自供电尿液监测。

2、通过调控藻类纤维素纳米纤维（CNFs）的组装过程，制备的加捻纤维相比对称流场制备的定向纤维，直径显著减小（33.6–20.4 μm）、密度增加（0.87–1.47 g cm^-3）、断裂强度提升（249.4–468.5 MPa），且具有更高的取向参数（从0.77到0.89）。

3、加捻纤维在50倍盐度梯度下实现了高达12.87 W m^-2的能量收集性能，同时具备高离子选择性（7.8 mS cm^-1），可以用作自供电尿液监测仪，有效区分婴儿的排尿和运动行为，并发出尿液饱和提醒。

4、本研究为基于生物质的自供电纳米流体健康监测系统提供了新的设计思路，推动了可定制化生物质纤维在可穿戴设备、智能医疗和自供电传感系统中的应用。

非对称微流控技术是一种利用非对称流场来调控纳米纤维（如纤维素纳米纤维，CNFs）组装过程的方法，以制造具有特定结构和性能的纳米流体纤维。这项技术的核心在于通过精确控制流体动力学条件，实现对纳米纤维排列和组装的精细调控，从而得到具有期望结构特性的纤维。具体原理如下：

• 非对称微流控芯片设计是实现非对称流场的关键。这种芯片通常包含一个核心流道和多个鞘流道，其中鞘流道的布局和尺寸被设计成非对称的，以产生非对称的流场。

• 非对称流场可以产生复杂的流体动力学效应，如剪切力、旋转和拉伸等，这些效应共同作用于纳米纤维，影响其组装行为。

• 在非对称流场中，纳米纤维（如CNFs）会受到不同的力的作用，导致它们沿着特定的方向排列和组装，形成具有特定结构特性的纤维。

• 通过实验和计算流体动力学（CFD）模拟，可以优化非对称流场的设计，以实现对纳米纤维组装行为的精确预测和控制。

加捻纤维如何从盐度梯度中高效收集能量？

1、该加捻纤维由高度取向和带负电的纳米通道组成，可以将盐度梯度产生的吉布斯自由能转化为电能，实现自供电传感。

2、纳米通道内存在重叠的负电双层，K⁺离子能够选择性地进入并通过纳米通道，而Cl^-离子则被排斥，从而产生开路电压和短路电流。

3、随着盐度梯度的增加（从10倍到500倍），加捻纤维的开路电压和短路电流也显著提高，最高可达225 mV和404.64 A m^-2，表现出优异的能量收集性能。

4、与对称流场制备的定向纤维相比，加捻纤维由于具有更紧密的堆积结构，在相同条件下表现出更高的能量收集效率，最高可达12.87 W m^-2。

总之，加捻纤维利用其独特的纳米结构和选择性离子传输特性，能够高效地从盐度梯度中收集电能，为自供电传感系统的开发提供了新的解决方案。

这种表面扭曲、内部定向的藻类纤维在自供电传感中的应用潜力如何？其技术优势是什么？

应用潜力：

• 尿液监测：加捻纤维可集成到自供电尿液监测设备中，用于区分婴儿的排尿行为与运动行为，并在尿液饱和时发出警报。这在婴儿护理和失禁患者管理中具有重要意义。

• 可穿戴设备：纤维的高机械强度和柔韧性使其适合用于可穿戴健康监测设备，以实时监测汗液、尿液等体液的离子浓度变化。

• 能量收集：该类纤维可用于盐度梯度环境中的能量收集装置，如海水淡化或环境监测设备，实现能源的自供给。

技术优势：

• 高离子选择性：加捻纤维独特的纳米通道结构赋予其优异的离子选择性和传输效率，能够在低盐浓度下实现高灵敏度的离子检测。

• 自供电特性：纤维能够通过盐度梯度转换吉布斯自由能为电能，无需外部电源支持，适合开发零排放、低能耗的传感系统。

• 可定制化设计：非对称微流控技术可调控纤维的扭曲角度和结构参数，从而满足不同应用场景的需求，如健康监测、智能纺织品和环境传感器等。

图1.加捻纤维的制备、结构和性能。

图2.加捻定向纤维的结构、性能、形成和变形机理。

图3.加捻纤维的离子传输特性和自供电行为。

图4.加捻纤维在自供电传感中的应用。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202414365