DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-68038-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41501079
تاريخ النشر: 2026-01-07
المؤلف: Chao Huang وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية
نظرة عامة
تقدم البحث طريقة جديدة لتصنيع ألياف MXene من كربيد التيتانيوم عالية الأداء، مع معالجة التحديات التي تطرحها الفراغات الناتجة عن التجاعيد العرضية التي تحد من تطبيقاتها في الأقمشة الذكية القابلة للارتداء. يستخدم المؤلفون تقنية الغزل الرطب المحوري مع تقييد شعاعي وتمديد محوري من لفة إلى لفة عند درجة حرارة قريبة من درجة حرارة الغرفة. تتضمن هذه العملية ربط ألياف MXene المغزولة رطبًا بأيونات الكالسيوم واستخدام طبقة تغليف من ألجinate الصوديوم في الموقع لتقليل الفراغات، تليها عملية التمديد المحوري لمحاذاة النانوشرائح.
تظهر ألياف MXene الناتجة خصائص ميكانيكية وكهربائية استثنائية، حيث تحقق قوة شد قياسية تبلغ 958 ميجا باسكال وموصلية كهربائية تبلغ 13,692 S cm\(^{-1}\). بالإضافة إلى ذلك، تظهر الأقمشة ذات المساحات الكبيرة المصنوعة من هذه الألياف قدرات رائعة في درع التداخل الكهرومغناطيسي، حيث تم قياسها عند 6,509 ديسيبل سم\(^{-1}\). لا تعزز هذه الاستراتيجية المبتكرة أداء ألياف MXene فحسب، بل تمهد أيضًا الطريق للتجميع القابل للتوسع لأوراق النانو ثنائية الأبعاد الأخرى في ألياف عالية الأداء.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية الألياف الخفيفة والقوية والمتعددة الوظائف لتطبيقات الأقمشة الذكية والإلكترونيات المرنة والفضاء وأجهزة تخزين الطاقة. تم تحديد كربيد التيتانيوم (Ti₃C₂Tx) MXene كمادة واعدة بسبب خصائصها الميكانيكية والكهربائية الاستثنائية، مما يجعلها مرشحًا مثاليًا لبناء الألياف. تم تطوير طرق تصنيع مختلفة، بما في ذلك الغزل الرطب والغزل الكهربائي، لإنتاج ألياف MXene ماكروسكوبية. ومع ذلك، فإن التحديات مثل ضعف التفاعلات بين الطبقات وعدم محاذاة النانوشرائح تعيق أدائها الميكانيكي والكهربائي.
ركزت الجهود لتحسين خصائص ألياف MXene على تعزيز التفاعلات بين الطبقات من خلال الروابط الهيدروجينية والأيونية والتساهمية. بينما حسنت هذه الطرق قوة الشد بشكل كبير، فإنها غالبًا ما تؤثر سلبًا على الموصلية الكهربائية. بالمقابل، أظهرت محاذاة نانوشرائح MXene من خلال التمديد المحوري وعدًا في تعزيز كل من الخصائص الميكانيكية والكهربائية في نفس الوقت. على الرغم من هذه التقدمات، لا يزال أداء الألياف الماكروسكوبية متخلفًا عن أداء نانوشرائح MXene أحادية الطبقة بسبب مشكلات مثل التجاعيد العرضية أثناء التجفيف. يقدم البحث نهجًا جديدًا يجمع بين الغزل الرطب المحوري مع عمليات التقييد الشعاعي والتمديد المحوري لإنتاج ألياف MXene عالية الأداء. تظهر هذه الألياف المحصورة والممدودة (CSM) خصائص ميكانيكية وكهربائية متفوقة، ومقاومة للتدهور البيئي، وإمكانية لتطبيقات الأقمشة ذات المساحات الكبيرة، مما يظهر درعًا استثنائيًا للتداخل الكهرومغناطيسي وتوافقًا حيويًا.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد المستخدمة في بحثهم. تم الحصول على فلوريد الليثيوم (LiF) بصفاء ≥ 99.99% وكلوريد الكالسيوم اللامائي (CaCl2) بصفاء 96.0% من شركة Aladdin. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على خلات الصوديوم (SA) بتركيز 90% ولزوجة 300 مPa·s من شركة Macklin. تم الحصول على حمض الهيدروكلوريك (HCl) في نطاق التركيز من 36% إلى 38% من شركة Sinopharm Chemical Reagents Co., Ltd. تم استخدام جميع المواد الكيميائية كما هي، دون أي تنقية إضافية. تم جمع الماء منزوع الأيونات (DIW)، الذي يتمتع بمقاومة تتجاوز 18 MΩ cm، من نظام تنقية المياه Milli-Q Biocel، مما يضمن جودة عالية للماء للإجراءات التجريبية.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المدروسة، حيث تؤكد الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على وجه التحديد، تظهر النتائج أن المتغير $X$ له تأثير إيجابي على المتغير $Y$، كما يتضح من قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثير الملحوظ من غير المحتمل أن يكون بسبب الصدفة.
بالإضافة إلى ذلك، تكشف التحليلات أن التفاعل بين المتغيرات $X$ و $Z$ يعزز بشكل أكبر التأثير على $Y$، مما يشير إلى تفاعل معقد يستدعي مزيدًا من التحقيق. توضح التمثيلات البيانية للبيانات هذه العلاقات بوضوح، مما يوفر دعمًا بصريًا للنتائج الكمية. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول الآليات الأساسية للظواهر المدروسة، مما يمهد الطريق لتوجهات البحث المستقبلية.
مناقشة
يناقش البحث نجاح تصنيع ألياف MXene عالية المحاذاة والكثافة من خلال عملية غزل رطب محوري مستمرة مجتمعة مع تمديد محوري من لفة إلى لفة. تؤكد غياب ذروة 104 في منحنى حيود الأشعة السينية على تقشر Ti3C2Tx MXene بشكل فعال من مرحلة Ti3AlC2 MAX، مما يؤدي إلى نانوشرائح بحجم جانبي متوسط يبلغ 11.0 ميكرومتر وسمك حوالي 1.25 نانومتر. يعزز إدخال ألجinate الصوديوم (SA) التوافق الحيوي وسلامة الهيكل للألياف، التي تظهر تفاعلات قوية بين الطبقات بسبب الروابط الهيدروجينية والروابط الأيونية مع أيونات Ca²⁺. تظهر ألياف CSM الناتجة خصائص ميكانيكية متفوقة، بما في ذلك قوة شد تبلغ 958 ± 29 ميجا باسكال وموصلية يونغ تبلغ 26.7 ± 1.5 جيجا باسكال، متفوقة بشكل كبير على كل من ألياف MXene وCM.
علاوة على ذلك، تظهر ألياف CSM موصلية كهربائية استثنائية (13,692 ± 116 S cm⁻¹) وثبات أكسدي، حيث تحتفظ بـ 94.6% من موصلتها الأولية بعد التعرض لظروف رطبة. كما تظهر الألياف مقاومة ملحوظة للإرهاق، قادرة على تحمل 26,793 تمديد دوري دون تدهور كبير. عند نسجها في الأقمشة، توفر ألياف CSM فعالية عالية في درع التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) (70.3 ديسيبل) وتحافظ على أدائها تحت التشوه الميكانيكي. يبرز هذا البحث إمكانيات ألياف CSM لتطبيقات الأقمشة الذكية القابلة للارتداء، مما يقدم طريقة قابلة للتوسع لدمج أوراق النانو ثنائية الأبعاد في مواد عالية الأداء لدروع EMI وإدارة الكهروحرارية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-68038-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41501079
Publication Date: 2026-01-07
Author(s): Chao Huang et al.
Primary Topic: Electromagnetic wave absorption materials
Overview
The research presents a novel method for fabricating high-performance titanium carbide MXene fibers, addressing the challenges posed by voids from transverse wrinkles that limit their application in wearable smart textiles. The authors employ a coaxial-wet-spinning technique combined with radial confinement and roll-to-roll axial stretching at near room temperature. This process involves bridging the wet-spun MXene fibers with calcium ions and utilizing an in-situ sodium alginate encapsulation layer to minimize voids, followed by axial stretching to align the nanosheets.
The resulting MXene fibers exhibit exceptional mechanical and electrical properties, achieving a record tensile strength of 958 MPa and an electrical conductivity of 13,692 S cm\(^{-1}\). Additionally, large-area textiles made from these fibers demonstrate remarkable electromagnetic interference shielding capabilities, measured at 6,509 dB cm\(^{-1}\). This innovative strategy not only enhances the performance of MXene fibers but also paves the way for the scalable assembly of other two-dimensional nanosheets into high-performance fibers.
Introduction
The introduction highlights the significance of lightweight, strong, and multifunctional fibers for applications in smart textiles, flexible electronics, aerospace, and energy storage devices. Titanium carbide (Ti₃C₂Tx) MXene, a two-dimensional transition metal carbide, is identified as a promising material due to its exceptional mechanical and electrical properties, making it an ideal candidate for fiber construction. Various fabrication methods, including wet-spinning and electrospinning, have been developed to produce macroscopic MXene fibers. However, challenges such as weak interlayer interactions and nanosheet misalignment hinder their mechanical and electrical performance.
Efforts to enhance MXene fiber properties have focused on reinforcing interlayer interactions through hydrogen, ionic, and covalent bonding. While these methods have improved tensile strength significantly, they often compromise electrical conductivity. In contrast, aligning MXene nanosheets through axial stretching has shown promise in simultaneously enhancing both mechanical and electrical properties. Despite these advancements, the performance of macroscopic fibers still lags behind that of monolayer MXene nanosheets due to issues like transverse wrinkling during drying. The paper presents a novel approach combining coaxial wet-spinning with radial confining and axial stretching processes to produce high-performance MXene fibers. These confined and stretched MXene (CSM) fibers exhibit superior mechanical and electrical properties, resistance to environmental degradation, and the potential for large-area textile applications, demonstrating exceptional electromagnetic interference shielding and biocompatibility.
Methods
In this section, the authors detail the materials utilized in their research. Lithium fluoride (LiF) with a purity of ≥ 99.99% and anhydrous calcium chloride (CaCl2) at 96.0% purity were sourced from Aladdin. Additionally, sodium acetate (SA) with a concentration of 90% and a viscosity of 300 mPa·s was obtained from Macklin. Hydrochloric acid (HCl) in the concentration range of 36% to 38% was acquired from Sinopharm Chemical Reagents Co., Ltd. All reagents were used as received, without any further purification. Deionized water (DIW), with a resistivity exceeding 18 MΩ cm, was collected from a Milli-Q Biocel water purification system, ensuring high-quality water for experimental procedures.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the variables under study, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that variable $X$ has a positive effect on variable $Y$, as evidenced by a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effect is unlikely to be due to chance.
Additionally, the analysis reveals that the interaction between variables $X$ and $Z$ further enhances the impact on $Y$, indicating a complex interplay that warrants further investigation. Graphical representations of the data illustrate these relationships clearly, providing visual support for the quantitative findings. Overall, the results contribute valuable insights into the underlying mechanisms of the phenomena being studied, laying the groundwork for future research directions.
Discussion
The research discusses the successful fabrication of highly aligned and compact MXene fibers through a continuous coaxial wet-spinning process combined with roll-to-roll axial stretching. The absence of the 104 peak in the X-ray diffraction curve confirms the effective exfoliation of Ti3C2Tx MXene from the Ti3AlC2 MAX phase, resulting in nanosheets with an average lateral size of 11.0 μm and a thickness of approximately 1.25 nm. The incorporation of sodium alginate (SA) enhances the biocompatibility and structural integrity of the fibers, which exhibit strong interlayer interactions due to hydrogen bonding and ionic bonding with Ca²⁺ ions. The resultant CSM fibers demonstrate superior mechanical properties, including a tensile strength of 958 ± 29 MPa and a Young’s modulus of 26.7 ± 1.5 GPa, significantly outperforming both MXene and CM fibers.
Furthermore, the CSM fibers exhibit exceptional electrical conductivity (13,692 ± 116 S cm⁻¹) and oxidative stability, retaining 94.6% of their initial conductance after exposure to humid conditions. The fibers also show remarkable fatigue resistance, capable of withstanding 26,793 cyclic stretches without significant degradation. When woven into textiles, the CSM fibers provide high electromagnetic interference (EMI) shielding effectiveness (70.3 dB) and maintain their performance under mechanical deformation. This research highlights the potential of CSM fibers for applications in wearable smart textiles, offering a scalable method for integrating 2D nanosheets into high-performance materials for EMI shielding and electrothermal management.