在柔性压力传感器领域，如何平衡高灵敏度与宽检测范围，同时确保在极端温度下的稳定性，一直是困扰研究人员的核心难题。特别是在航空航天等严苛环境中，传感器需要承受恒星热辐射与深空极寒交替带来的巨大温差，这对材料的性能和可靠性提出了近乎矛盾的要求。
近日，受自然界多梯度结构启发，东华大学王鹏课题组通过一种自下而上的自组装策略，成功制备出一种聚酰亚胺纳米纤维/碳纳米管（PINF@CNTs）双梯度气凝胶。该材料不仅具有超低密度（0.023 g/cm³）、优异的隔热性能（28 mW m⁻¹ K⁻¹）和可靠的压缩疲劳抗力，更在灵敏度（156 MPa⁻¹）与检测范围（223 kPa）之间取得了出色平衡。尤为关键的是，它在-196°C至533.30°C的极端温度范围内仍能保持稳定的机械与电学性能，为在航天服等极端环境下实现集成化的热防护与实时健康监测提供了全新的材料解决方案。相关论文以“Gradient nanofiber aerogels for extreme cryogenic and thermal environments”为题，发表在
Nature Communications上。
研究的灵感来源于自然界中广泛存在的梯度结构，例如马蹄。如图1所示，马蹄外层孔隙小、密度高，提供坚硬支撑；内层孔隙大、密度低，赋予其柔韧性和缓冲能力。模仿这一原理，团队通过静电纺丝、逐层冷冻和热亚胺化的多步协同方法，构建了从底部高密度小孔到顶部低密度大孔连续过渡的双梯度气凝胶。这种结构设计使其能够实现从柔性到刚性的动态转变，从而巧妙化解了传统传感器灵敏度与量程之间的固有矛盾。
图1：双梯度纳米纤维气凝胶的仿生设计与应用。 (a) 马蹄及其梯度结构（照片由作者拍摄）。(b) PINF@CNTs双梯度气凝胶制备过程示意图。不同颜色代表梯度结构中的不同层。显微图像代表3个独立样品。(c) 气凝胶在航天服中用于极端环境下健康监测与隔热的应用示意图。左图显示传感器在极寒下的压阻响应，表明性能影响极小。插图展示了寒冷条件下传感器的照片。右图展示了传感器在极热条件下的隔热性能。
为了深入理解梯度结构的作用机制，研究团队对其形貌与变形行为进行了详细表征。图2展示了气凝胶各梯度单元的扫描电镜图像，清晰呈现了从致密到疏松的孔隙渐变。有限元模拟进一步揭示，在受压时，低模量层（大孔隙）首先发生变形，随着载荷增加，变形逐步向高模量层（小孔隙）传递，这种分层逐级变形的模式是实现宽范围高灵敏度传感的关键。化学结构分析证实了聚酰亚胺的成功合成，热重分析则显示了材料良好的热稳定性。
图2：双梯度纳米纤维气凝胶的压缩变形机制与形态结构表征。 (a) PINF@CNTs双梯度气凝胶各梯度单元的扫描电子显微镜图像。显微图像代表3个独立样品。(b) 双梯度气凝胶与 (c) 非梯度气凝胶的有限元模型及变形机制。(d) PINF@CNTs气凝胶、PAANF@CNTs气凝胶、PI纳米纤维膜和PAA纳米纤维膜的FT-IR光谱。(e) PINF@CNTs气凝胶与 (f) 纯PINF气凝胶的TG和DTG曲线。
优异的力学性能是其在复杂环境中可靠应用的基石。如图3所示，双梯度气凝胶展现出卓越的柔韧性和可恢复性。其分级结构带来了独特的力学响应：初始压缩时模量较低，有利于高灵敏度和穿戴舒适性；随着形变增大，模量显著升高，表现出由柔到刚的动态过渡，这不仅拓宽了传感器的操作范围，还实现了更高的能量吸收能力。疲劳测试表明，在经过1000次压缩循环后，材料仍能保持超弹性和出色的抗疲劳特性。
图3：双梯度纳米纤维气凝胶的机械性能。 (a) 双梯度气凝胶的压缩恢复照片。所有面板放大倍数与提供的标尺图像相同。(b) 双梯度气凝胶与非梯度气凝胶的变形模式。虚线表示层间局部变形。所有面板放大倍数与提供的标尺图像相同。(c) 双梯度和非梯度气凝胶的应力-应变曲线与 (d) 能量吸收曲线。(e) 在80%应变下，双梯度和非梯度气凝胶的应力与压缩模量对比柱状图。数值为平均值±标准差（n=3个独立样品）。
基于该气凝胶的压力传感器表现出卓越的传感性能（图4）。得益于梯度结构，其检测限提升至223 kPa，显著高于非梯度对照样品（107 kPa）。同时，它在宽压力范围内展现出高且分级的灵敏度。传感器能够稳定监测从微弱脉搏到跑步时足底压力的动态变化，证明了其在生理信号与运动监测中的广泛应用潜力。经过千次循环测试，其电阻响应依然稳定。
图4：双梯度纳米纤维气凝胶的传感性能。 (a) 分层的PINF@CNTs网络形成面内导电系统。基于 (b) 双梯度气凝胶和 (c) 非梯度气凝胶的压力传感器，其相对电阻随压力的变化。(d) 基于双梯度气凝胶的压力传感器对不同压缩应变（2%至80%）的电阻响应。(e) 基于双梯度气凝胶的压力传感器在50%应变下、1000次循环的压缩-卸载耐久性测试。(f) 基于双梯度气凝胶的压力传感器对腕部脉搏的响应，以及通过检测足底压力（如站立、行走、跑步）对人体运动的监测。
在极端环境中，卓越的隔热性能与温度适应性同样至关重要。如图5所示，得益于高孔隙率和梯度结构对热传导路径的有效阻隔，双梯度气凝胶表现出优异的隔热性能。实验表明，其能在液氮低温与高温热源环境下保持结构完整与机械弹性。同时，材料在极端高低温循环中，其压阻响应保持稳定，证实了其在严峻环境下的可靠性与环境适应性。
图5：双梯度纳米纤维气凝胶的隔热性能。 (a) 双梯度气凝胶的热传递机制示意图。(b) 双梯度气凝胶与 (c) 非梯度气凝胶上下表面的温度-时间曲线。(d) 不同材料的热导率随体积密度的变化关系。(e) 注入液氮时，双梯度气凝胶与冷板的温度-时间曲线。(f) 模拟光源下双梯度气凝胶的热红外图像。双梯度气凝胶在 (g) 200°C热板上和 (h) -196°C液氮中的压缩恢复图像。(i) 放置在手掌上的气凝胶（厚15.0毫米）的表面温度。(j) 气凝胶和手掌表面温度随时间的变化。
综上所述，这项研究通过仿生设计成功研制出一种多功能双梯度纳米纤维气凝胶，它从根本上解决了柔性压力传感器在灵敏度与检测范围之间长期存在的权衡难题，并展现出在极端温度环境下前所未有的性能稳定性。这种将高效隔热与高精度传感融于一体的材料，为航空航天领域极端环境下的宇航员健康监测、热防护以及下一代智能柔性电子设备的发展，提供了创新的设计思路与坚实的技术基础。
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