成果简介
随着 5G 电子设备向毫米波方向快速发展，强电磁辐射已严重威胁人体健康。对具有高性能电磁防护功能的可穿戴抗菌材料的需求十分迫切，但目前仍缺乏合理的结构设计来实现多功能结构。本文，中国科学院山西煤炭化学研究所贾辉(助理研究员)、 Dong Jiang、Cheng-Meng Chen等研究人员在《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“Towards wearable multifunctional cellulose nanofiber/silver nanowire/graphene oxide film: Electromagnetic protection, antibacterial, and motion monitoring”的论文，研究采用简便的浸涂方法，成功制备了具有多层结构的可穿戴抗菌纤维素纳米纤维/银纳米线/氧化石墨烯（CNF-Ag NWs/GO）混合薄膜。这种多层结构由柔性 CNF 基材、银纳米线电磁屏蔽块和 GO 封装单元构成。利用氢键相互作用对 GO 片材的封装，编织出致密的 Ag NWs 导电网络。由此制成的薄膜具有极低的片电阻（0.9 Ω/sq），在毫米波范围（26-40 GHz）内具有 80 dB 的优异电磁屏蔽性能。同时，它还具有优异的抗菌性能和高灵敏度的运动监测能力。该研究成果实现了多功能集成，为可穿戴电磁防护材料的开发提供了新的思路。
图文导读
图1.（a） CNF-Ag/GO 杂化膜的制备过程示意图。（b） SEM 图像、数码照片和 （c） Ag NWs 的 RD 图谱。（d） GO 片材的 AFM 图像和数码照片。
图2. (a,b)Ag 纳米粒子的 HR-TEM 图像。(c1) CNF 薄膜、(c2) CNF-Ag/GO-3L 和 (c3,c4) CNF-Ag/GO-6L 混合薄膜的数码照片。(d) CNF 薄膜、(e,f) CNF-Ag/GO-3L 混合薄膜和 (g,h) CNF-Ag/GO-6L 混合薄膜的扫描电镜图像。(i) CNF-Ag/GO-6L 混合薄膜的元素图谱。
图3：（a）CNF 薄膜和 CNF-Ag/GO 混合薄膜的 XRD 图样和（b）XPS 光谱。(c) CNF 薄膜和 CNF-Ag/GO 混合薄膜的透射率。(d) CNF-Ag/GO 混合薄膜的银含量。(e) CNF 薄膜的 EA 结果。(f) 所有样品、(g) CNF 薄膜、(h) CNF-Ag/GO-3L 和 (i) CNF-Ag/GO 混合薄膜的高分辨率 O1s 光谱。
图4. (a) CNF 薄膜和 (b) CNF-Ag/GO 混合薄膜的导电性演示图。CNF 薄膜和 CNF-Ag/GO 混合薄膜的 SET（c）。CNF 薄膜和 CNF-Ag/GO 混合薄膜的薄层电阻（d）。CNF 薄膜和 CNF-Ag/GO 混合薄膜的 SER（e）和 SEA（f）。(g) 多层混合薄膜的电磁干扰屏蔽机理示意图。
图5. CNF 薄膜和 CNF-Ag/GO 混合薄膜对（a-c）革兰氏阴性大肠杆菌和（d-f）革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的抗菌性能的数码照片。CNF 薄膜和 CNF-Ag/GO 混合薄膜对（g）革兰氏阴性大肠杆菌和（h）革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的抑制区直径。(i) CNF-Ag/GO-6L 薄膜对不同类型细菌的抑制区直径。
图6. (a) CNF-Ag/GO-12L 薄膜的数码照片。(b) 2000 次弯曲后 CNF-Ag/GO-12L 薄膜的片状电阻和归一化电阻率。(c) 洗涤后 EMI SE 的稳定性。(d) 弯曲设备上运动监测的数码照片和 (e) 电阻变化。(f) CNF-Ag/GO-12L 薄膜的剥离力曲线。(g) 数字照片和 (h) 机械臂上运动监测电阻变化。(i) CNF 薄膜和 CNF-Ag/GO 混合薄膜的拉伸性能。
小结
总之，通过一种简便的浸涂方法，成功地制备出了一种具有夹层结构的柔性多功能 CNF-Ag/GO 混合薄膜。在该结构设计中，CNF 薄膜作为柔性基底，Ag NWs 和 GO 作为 EMI 屏蔽和封装单元。由于含有丰富的氧官能团，GO 和 CNF 之间形成了很强的相互作用，从而可以压缩 Ag NWs 网络层，降低接触电阻。由此得到的 CNF-GO/Ag-12L 混合薄膜在毫米波（26-40 GHz）范围内具有 0.9 Ω/sq 的低薄层电阻和 80 dB 的高 EMI 屏蔽性能。此外，混合薄膜对革兰氏阴性的大肠杆菌和革兰氏阳性的金黄色葡萄球菌具有优异的抗菌性能，其相应的抑菌区直径分别为3厘米和2厘米。此外，薄膜还具有高灵敏度的运动监测功能。因此，该薄膜实现了多功能集成，为可穿戴电磁防护材料的开发提供了新的机遇。
文献：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157751
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