广西大学王双飞院士&刘新亮等: 熵驱动纤维素弹性体自组装，用于机械能量收集和自供能感测

Entropy-Driven Cellulosic Elastomer Self-Assembly for Mechanical Energy Harvesting and Self-Powered Sensing

Pinle Zhang, Yingping He, Huancheng Huang, Neng Xiong, Xinyue Nong, Xinke Yu, Shuangfei Wang* & Xinliang Liu *

Nano-Micro Letters (2026)18: 215

https://doi.org/10.1007/s40820-025-02054-y

本文亮点

1. 熵驱动的微观结构设计：系统阐述了利用熵驱动方法构建纤维素弹性体有序自组装结构的策略，深入分析了微观结构的形成机制与调控方法。

2. 面向应用的宏观性能调控：深入探讨了自组装结构赋予纤维素弹性体的独特性质，重点梳理了其在机电转换和自供能传感领域的性能优化策略与构效关系。

研究背景

柔性电子器件的快速发展对弹性体的微观结构与机电性能提出了更高要求，而传统材料在高性能与环境可持续性之间难以平衡。纤维素基弹性体凭借其独特的从分子链到宏观纤维的多尺度结构，展现出替代传统材料的巨大潜力。熵驱动的自组装促进有序结构的自发形成，是优化纤维素弹性体性能的关键途径。然而，现有研究对机械和电学领域自组装分子动力学特性的系统总结仍然不充分。纤维素弹性体自组装有序结构与其机械和电学特性之间的“结构-性质”关系仍未被充分探讨，这阻碍了其在电子器件中的应用扩展。

内容简介

王双飞院士团队就熵驱动纤维素弹性体自组装材料在机械和电气领域的研究进展进行了综述。介绍了纤维素弹性体的分子结构特性及其由熵驱动的自组装特性，系统阐释了键合类型、结构调节机制和性能优化路径。随后，深入探讨了机电转换的原理及其在压电发电、摩擦纳米发电机和介质弹性体发电中的应用。最后，总结了弹性与机电转换性能之间的兼容性挑战、大规模生产的瓶颈，并概述了未来多模态自供能集成系统的趋势。本研究旨在为创新高效的能量收集技术和自供能传感器提供理论基础和设计见解，为推动下一代柔性电子在复杂场景中应用提供方向。

图文导读

I 熵驱动的纤维素弹性体自组装

本研究通过熵驱动策略设计纤维素弹性体。系统的自发有序化主要由构象熵与平移熵的增加驱动，克服微弱焓变实现吉布斯自由能降低。通过调控氢键、弱相互作用等，实现对材料结构性能的定制，成功应用于能量收集和自供电传感领域。该策略为高性能新能源材料的理性设计提供了有效途径。 

图1. 熵驱动纤维素基弹性体自组装及其在能量收集和自供能传感中的应用。

图2.  熵驱动纤维素弹性体自组装设计在机电能转换和自供电传感中的应用。

(1)纤维素弹性体的分子结构特征

纤维素是β-1,4-糖苷键连接的线性葡聚糖，兼具刚性结晶区与柔性非晶区，链结构与PVDF、PDMS差异显著。其晶区-非晶区比例、链刚度及氢键网络协同调控构象熵，外界刺激下非晶区链自组装以熵增驱动降低系统自由能，实现宏观结构有序化。

(2)熵驱动的纤维素弹性体自组装贡献

熵驱动过程通过自然界中的自组装机制，在材料结构设计中发挥着关键作用。这些过程通过促进热力学平衡下的分子自发重排，加速系统总熵(包括振动熵、旋转熵和构型熵)的增加。在纤维素系统中，主导熵的贡献取决于特定的物理化学过程和系统条件。不同类型的熵相互关联，共同决定了纤维素系统的结构和性质。纤维素弹性体的自组装体现了这种由熵驱动的动态平衡。

(3)影响熵驱动纤维素弹性体自组装的因素

纤维素弹性体熵驱动自组装的影响因素分内外两类。内部因素中，纤维尺度影响熵值与相转变，结晶度决定颗粒形态及有序组装效率，官能团通过氢键、静电作用调控熵平衡并拓展结构多样性；外部因素里，温度和压力影响分子运动与结构有序性，溶剂环境调节相互作用强度。各因素协同调控熵-焓平衡，实现材料多尺度结构的可控构筑。

(4)纤维素复合弹性体由熵驱动自组装

纤维素弹性体多为复合体系，需与天然(海藻酸盐、几丁聚糖、透明质酸)或合成聚合物(聚乙烯醇、聚乙二醇等)复合，以满足能量收集、自供能传感所需的弹性、韧性与环境适应性。熵驱动的纤维素-聚合物自组装是构建其多功能结构的关键，为其在柔性可穿戴电子等领域的应用奠定基础。

图3. 纤维素分子的结构特征。

图4. 动态氢键/共价键驱动纤维素弹性体自组装类型。

II 熵驱动的纤维素弹性体自组装结构性能调控

自组装过程与布利冈结构在纤维素基材料中常被视为密切相关，代表了自组装的常见结构形态。然而近期研究表明，熵驱动的纤维素弹性体自组装可形成具有高度多样化结构形态的宏观材料。最终结构取决于多重因素的协同作用，其复杂程度远超布利冈构型。

(1) 自组装纤维素弹性体的结构

自组装有序纤维素弹性体的结构多样性并非没有明显的模式。熵是调控材料构象结构设计的关键“开关”，本研究从熵视角出发，重点分析布利冈序、多层/网络序及梯度序的形成条件，阐明自组装过程中的结构演化模式。

图5. 自组装驱动纤维素弹性体的结构调控。

(2)自组装纤维素弹性体的性质

熵驱动自组装依托动态键合与层级结构组织，是调控纤维素基弹性体特性的有效手段。该机制通过氢键等分子间作用增强材料机械强度与韧性，借助可逆动态共价键和非共价键赋予其自愈能力，同时通过促进结构有序化与极化调制提升介电性能，为制备可编程特性的多功能纤维素弹性体提供了多元路径。

图6. 熵驱动纤维素弹性体自组装性能调节。

III 用于机电转换和自供能感应的纤维素弹性体

熵驱动自组装通过调控分子取向、氢键重排及多尺度结构，优化纤维素弹性体机电响应：提升介电性能以增强压电、摩擦电等能量转换效率，同时强化机械性能与自愈能力，保障系统环境适应性、耐用性及信号稳定性。本节深入探讨其介电、压电等特性调控机制，为开发高性能能量收集与自供能传感材料提供理论支撑。

(1)弹性体用于压电发电机

弹性体压电发电主要依靠压电效应将机械能转化为电能，其性能取决于压电系数和应变率。通过优化压电材料的内在特性、设计多层叠片和悬臂梁等能量采集结构，并集成阻抗匹配电路与能量管理芯片，可显著提升输出效率。这为低频能量采集和自供电传感应用提供了关键技术支撑。

图7. 压电弹性体产电机制。

(2)弹性体用于摩擦纳米发电机

摩擦纳米发电机(TENG)通过接触带电与静电感应实现机械能 – 电能转换，输出性能取决于表面电荷密度与介电特性。选用电子亲和力差异显著的摩擦电材料对、设计微纳结构表面、采用多层结构增大接触面积，结合同步电荷提取与阻抗匹配策略，可显著提升其转换效率与运行稳定性，成为柔性可穿戴电子及自供电系统的基础技术。

图8. 摩擦电弹性体产电机制。

(3)弹性体用于介电弹性体发电机

介电弹性体发电机(DEG)通过周期性拉伸与释放实现机械能 – 电能转换，性能取决于介电常数、击穿强度及弹性模量等关键参数。采用多层梯度结构、预拉伸处理与同步电荷提取电路，可显著提升其能量密度与转换效率，成为波浪能采集、可穿戴电子等领域的高效能源解决方案。

图9. 介电弹性体产电机制。

IV 熵驱动自组装纤维素弹性体的应用

熵驱动自组装纤维素弹性体在能量采集与智能传感领域兼具多功能特性。该材料集成摩擦电、压电及介电转换机制，可高效将人体运动等机械能转化为电能；其内部结构熵变能产生可检测电信号，适用于无线运动监测、非接触式传感及人机交互界面，是自供电可穿戴设备与自适应智能系统的理想组件。

(1)机械能量收集

在机械能量收集过程中，外部机械扰动(如振动和压迫)会作用于材料，触发熵驱动的机制，导致材料内部微观结构的动态重构和熵变化。这些微观结构包括纳米填料分布、分子链取向以及界面氢键网络。

图10. 纤维素基弹性体用于机械能收集。

(2)无线运动传感

熵引起的电荷转移或电容变化可以通过压电效应、摩擦电效应或介电效应促进能量转换。在自供能传感中，环境机械刺激触发熵驱动的可逆结构变化，引起介电常数、离子电导率或界面电位差改变，进而产生可探测的电信号输出，实现无外接电源的传感功能。

图11. 纤维素基弹性体用于无线运动传感。

(3)用于智能人机交互

多种纤维素基功能材料依托熵驱动机制，协同优化自愈合性能与力学特性，提升离子导电性。多通道介电增强设计的各类传感器，实现手势识别、运动轨迹监测等功能，拓展至人机交互、虚拟控制等场景，赋能自供能穿戴设备与智能系统。

图12. 纤维素的弹性体用于智能人机交互。

(4)非接触式信号传感

研究展示了多种非接触式传感器的创新设计：利用梯度薄膜与热电效应实现人体运动检测；基于低介电泡沫的电容式传感器响应近距离物体；导电水凝胶可实现水下物体识别；自组装气凝胶电子皮肤兼具湿度感应与非接触感知能力。这些工作推动了柔性传感器在复杂环境中的应用。

图13. 纤维素弹性体用于非接触式信号感知。

V 展望

纤维素弹性体的熵驱动自组装通过调节结构有序性，能够有效调控其性能，为实现高效的机电转换提供了关键途径。该策略为设计新一代能量收集与传感材料建立了理论框架。然而，在进一步提升机械能转换效率及推动其工业化应用方面，仍需克服诸多挑战。

图14. 熵驱动自组装弹性体在机械能量收集和柔性传感器开发前景。

VI 总结

纤维素弹性体的熵驱动自组装在结构设计中发挥着关键作用，显著影响了新型柔性能量材料的发展。熵驱动过程与自组装之间的内在联系，展示了纤维素弹性体材料通过有序结构形成的卓越工艺性。在纤维素弹性体设计中，熵驱动的方法调节结构转变，以定制所需性能，是实现机电转换效率的关键途径,为下一代能量收集和传感材料提供了设计框架。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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