导读
你能想象吗？未来的衣服，不再只是遮体保暖的布料。它能实时监测你的心率、血糖和运动等生理健康状态；能快速调节人体热舒适温度，守护我们的健康；还能为你的电子设备充电。而这一切的核心，只是一根小小的纤维。本文系统阐述了石墨烯与MXene新型二维材料的跨尺度组装，实现二维材料优异微观特性向宏观纤维组装体性能的高效传递，正让这根 “神奇纤维” 从实验室走向现实，织就智能穿戴的无限未来。
图片摘要
图文导读
一、一根纤维的 “进化史”：为什么我们需要石墨烯与MXene基纤维？
轻质、高强、高导纤维作为国家核心战略材料，是支撑我国航空航天、高端装备制造、柔性电子、新能源等国家重点发展领域的关键基础材料，直接关乎相关领域的技术突破与产业升级。其中智能穿戴的本质，是把电子设备 “织进衣服里”，从而实现柔性电子器件的可穿，而非只是目前市面上流行的如苹果iwatch、华为手环、小米手环等智能手环的简单戴在手腕上。但传统导电纤维始终无法突破 “既要柔软贴身，又要高性能” 的局限：譬如，基于不锈钢纤维的织物像穿了件铁布衫，沉重僵硬，毫无舒适感；基于银纤维的织物其价格堪比黄金，还容易氧化发黑，多次洗涤后容易失效；而基于碳纳米管纤维的织物其生产工艺复杂（如浮动气相催化法），特别是对于高导电性的单壁及双壁碳纳米管成本较高。直到石墨烯和 MXene 的出现，这根 “卡脖子” 的纤维终于迎来了革命性突破。它们从只有原子厚度的纳米片出发，跨尺度组装成连续的纤维，完美融合了轻、柔、强、高导电、易纺织五大核心优势（图1）。
图1. 基于石墨烯、MXene的高性能纤维及应用
二、石墨烯与MXene的跨尺度组装成纤
石墨烯与MXene作为最具代表性柔性、高导电二维层状材料，分别凭借本征超高力学强度(石墨烯断裂强度130 GPa，杨氏模量为1.0 TPa)与金属级本征电导率(Ti₃C₂Tₓ MXene 电导率＞10⁷ S/m)，强度是钢的200倍，导电性远超铜，因而成为构筑宏观高强、高导纤维的理想纳米基元。其中，将二维微观纳米片高效组装成高性能宏观纤维集合体是实现其实际应用的关键，然而，二维材料的跨尺度组装成纤始终面临微观纳米片本征优异特性向宏观性能传递失效的核心瓶颈：纯MXene纤维依赖范德华力结合，层间界面弱且存在大量孔隙缺陷，力学强度普遍低于100 MPa；纯石墨烯纤维易因片层团聚与无序堆叠导致电导率大幅衰减，且层间应力传递效率低下。二者的简单共混组装则因片层尺寸不匹配、相分离与界面接触不良，呈现出 “1+1＜2” 的反常力电性能，无法实现力学承载与电子传输的协同提升。跨尺度组装技术是一种将纳米级构建块组装成宏观结构的有效方法，其核心在于通过精确控制组装过程实现材料性能的优化(图2)。作者研究团队前期先后开展了基于石墨烯、MXene液晶高效可控组装一维高性能纤维、二维超薄透明电子皮肤及三维智能电子纺织品组装体的研究。
图2. 基于石墨烯、MXene液晶的纺丝组装成纤
三、将“墨水”纺成“导电工业丝”
研究者们开发了多种组装成纤方法，其中最常见的是 “湿法纺丝”：将石墨烯或MXene分散在水中形成“墨水”(纺丝浆料)，通过纺丝通道挤出进入凝固浴，溶剂交换后形成固态纤维。就像做豆腐一样，把“豆浆”变成“豆腐脑”。通过控制拉伸、加热、交联等工艺，目前研究者成功制备出强度超过GPa、导电率高达百万级S/cm的高性能纤维。但其却面临以下几点问题：(1)力学增强与电学性能之间相冲突：离子交联(Zn²⁺/Ca²⁺)或氢键作用(壳聚糖/海藻酸钠)可提升强度至200 MPa以上，但绝缘聚合物层阻断电子隧穿，电导率从10⁴降至10³ S/cm量级。”增强必降导”成为组装成纤技术难点。(2)强界面相互作用与结构致密化割裂：现有研究多关注片层间化学作用，忽视孔隙缺陷(湿法纺丝孔隙率>30%)对应力传递的负面影响。大片层MXene刚性堆叠形成”拱桥效应”，且干燥过程中易引发褶皱缺陷，层间滑移导致早期失效。(3)高度取向组装的精确操控：在二维纳米片跨尺度组装宏观纤维过程中常面临紊乱无序组装的问题，而实现纳米片沿纤维轴向的高度取向组装是实现高性能纤维的关键。近年来，研究者们从组装结构设计到界面调控，发展了一系列精妙的缺陷消除策略。通过引入氢键、离子键和共价键等协同界面相互作用，再结合热拉丝诱导的应力取向与致密化处理，石墨烯、MXene纤维内部的空隙缺陷被有效消除，纳米片层的排列更加有序、可控，为开发兼具高强、高韧、高导电的纤维奠定了高效跨尺度组装基础(图3)。作者团队前期开发出双尺度限域连续纺丝成纤策略，将MXene纤维的强度有效提升至500 MPa以上，且可以完美契合现代纺织加工技术中的针织、机织等工艺，实现高性能纤维的纺织加工制备。
图3. 基于湿法纺丝的石墨烯、MXene高性能纤维
四、一根纤维的无限可能：五大应用场景改变生活
这根小小的纤维，正在渗透到我们生活的方方面面，让科幻电影里的场景变成现实(图4)。(1)贴身健康管家：24小时无创监测织入衣服的纤维传感器，能实时捕捉你的呼吸、心率、血压和关节运动，灵敏度高达0.2%，连脉搏的微小波动都能精准识别。更厉害的是，它还能通过汗液无创检测血糖，让糖尿病患者告别扎针的痛苦。(2)穿戴式充电宝：告别充电线烦恼。石墨烯、MXene纤维超级电容器，轻薄如纸，可随意弯折，充电几分钟就能使用几小时。织成布料后，能直接为智能手表、蓝牙耳机、心率传感器供电，让穿戴设备真正摆脱电池的束缚。(3)智能恒温衣：可根据外界环境温度变化自动控温，守护人体健康热舒适。3-6 V安全电压下，10秒内就能升温到100 ℃，可制作户外防寒服和理疗护具。通过调控红外发射率，冬天锁住热量，夏天散发热量，实现自适应温控。晒太阳就能自动升温，环保又节能。(4)电磁防护盾：守护你的电子健康。石墨烯/MXene复合织物的电磁屏蔽效率可达100 dB以上，能有效阻挡手机、电脑、路由器等电子设备的电磁辐射，重量仅为金属屏蔽布的 1/5，透气不闷，穿在身上毫无负担。(5)自供电智能可穿戴系统：可作为光伏织物、纤维状锂离子电子、超级电容器、摩擦纳米发电机等器件的电极材料，构筑自供电智能织物，实现长续航的智能可穿戴。作者团队前期将石墨烯、MXene纤维与柔性传感相结合开发出高度耐拉伸、高应变感知的传感器。同时将纤维与相变蓄热材料相结合，开发出系列对光、热、电、机械等外界刺激信号迅速响应的智能调温纤维及纺织品。
图4. 基于石墨烯、MXene纤维的应用
总结与展望
从单原子厚度的柔性纳米片，到一根能织布的纤维，再到一件能感知、能发热、能发电的智能衣服，石墨烯与MXene正在书写柔性电子学、纺织科学的新篇章，开启智能纺织品新纪元。这根小小的纤维，轻如鸿毛、强如钢铁、导电如金属，正在引领智能衣物的下一场革命，承载着智能穿戴的无限可能。未来，它将彻底改变我们的穿衣方式，让衣服成为我们身体的 “第二皮肤”，守护我们的健康，便利我们的生活。
通讯作者
范婷婷，博士，副教授，硕士生导师。山东省青年托举人才，主持国家自然科学基金、山东省自然科学基金、青岛市自然科学基金、中国博士后科学基金面上项目等科研项目，发表国际学术期刊发表SCI论文30余篇，申请发明专利7项，已授权4项。兼职担任《现代纺织技术》期刊学术编辑。主要围绕功能纤维膜材料的开发及在空气过滤、个人防护、油水分离、海水淡化等应用研究；新型过滤/分离用静电纺纳米纤维膜材料的开发及应用研究；智能可穿戴织物设计及应用。
苗锦雷，青岛大学智能可穿戴技术研究中心副教授，主要研究石墨烯、MXene的宏观集合体跨尺度可控组装、柔性纤维电子、个体热管理纤维及智能纺织品。
基金支持
本工作得到山东省青年科技人才托举工程(SDAST2024QTA066)、国家自然科学基金(No. 52303060)、山东省自然科学基金(ZR2023QB046)的资助。
引用信息
Zheng, C.; Jiang, P.; Rui, C.; Zhang, X.; Qu, L.; Fan, T.; Miao, J. Graphene and MXene fibers: rising stars for emerging smart textiles. Soft Sci. 2026, 6, 32. https://dx.doi.org/10.20517/ss.2025.157
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