高透明度对于可穿戴电子设备具有重要意义，它不仅提升了设备在日常佩戴中的舒适性，还为人体健康监测提供了更精准的视觉体验。这类材料需兼具高透光率、优异的电学性能、高柔韧性、出色的稳定性和抗疲劳性。而碳纳米管能很好地满足上述需求，因此是面向可穿戴设备的理想导电材料。然而，尽管碳纳米管具有优异的电学性能，当碳纳米管进一步组装成宏观网络时，其整体性能会显著降低。这是由于传统的碳纳米管网络是由短碳纳米管（长度小于100 μm）相互堆叠构建而成的，而碳纳米管之间的结间电阻会极大程度上降低网络的整体导电性能。超长碳纳米管具有厘米级的单体长度和近乎完美的原子结构，因此使用超长碳纳米管构建网络理论上能大大降低结间电阻，实现高透明导电网络的制备。
日前，清华大学张如范团队采用“基底拦截导向”法成功制备了厘米级的悬空超长碳纳米管导电网络。该网络不仅拥有超高透光率（> 99%，肉眼不可见）、良好的可操纵性与导电能力，同时还继承了超长碳纳米管优越的本征柔性与耐疲劳性能，因此在透明柔性电子器件领域有着良好的应用前景。相关工作以“Highly Transparent and Transferable Ultralong Carbon Nanotube Networks for Transparent Wearable Electronics”发表在《ACS Nano》上。
【超长碳纳米管悬空网络的制备原理】
这项工作利用前期的开发的“基底拦截导向”法，通过在浮动催化剂体系中放置一个镂空硅片基底制备超长碳纳米管悬空网络。在该过程中，气相中的短碳纳米管一端被硅片边缘所拦截而固定，另一端随着气流向后持续生长为超长碳纳米管，并跨过厘米级悬空区域抵达对岸形成超长碳纳米管悬空网络。此外，由于该网络具有轻质、比表面积高的特点，通过简单地和目标基底接触即可在范德华力的作用下实现网络的转移，这种易转移的特性极大程度上拓宽了超长碳纳米管的应用场合。
图1.超长碳纳米管悬空网络的制备与表征
【长度对碳管网络导电性能的影响机制】
为进一步揭示长度对碳管网络导电行为的影响，作者对于不同长度的碳管网络进行建模分析。结果显示，在同等的碳管用量下，随着长度的增长，结间电阻显著降低，而由碳管本身电阻的贡献仅略微下降。同时长度越长，网络的渗流阈值越低，进一步验证了超长碳纳米管在构建高透明导电网络方面的巨大潜力。同时，这种肉眼几乎不可见的高透明超薄网络能负载毫克级别的折纸，这一结果从侧面验证了网络是由连续的超长碳纳米管组装而成。
图2. 长度对碳管网络导电性能的影响机制
【超长碳纳米管悬空网络的应用验证】
作者将超长碳纳米管悬空网络与图案化的透明弹性聚合物基底复合，实现了基于超长碳纳米管悬空网络的透明柔性压力传感器的构建。这种超高透明度的超长碳纳米管悬空网络的引入仅对原基底造成了0.36%的透明度损失，而根据器件受力仿真模拟的结果可知，超长碳纳米管悬空网络依然能准确地反映出基底的形变程度。
图3. 基于超长碳纳米管悬空网络的透明柔性压力传感器
该传感器灵敏度高（225.11 kPa-1）、工作范围宽（可达160 kPa）、响应时间短（11 ms）以及循环稳定性好（＞10,000次循环），综合性能优于大多数已报道的透明压力传感器。此外，该传感器在人体健康检测与人机交互领域也实现了初步的应用展示。该超长碳纳米管悬空网络基压力传感器优异的传感性能与实际应用潜力，进一步证实了超长碳纳米管悬空网络是制备下一代透明可穿戴电子设备的理想导电材料。
图4. 基于超长碳纳米管悬空网络的柔性压力传感器的传感性能
图5. 基于超长碳纳米管悬空网络的柔性压力传感器的应用展示
总结：作者利用“基底拦截导向”法制备了厘米级的超长碳纳米管悬空网络，这种网络具有超高透明度（> 99%，肉眼不可见）、厘米级的连续导电通路、良好的柔性与耐疲劳性能，同时能通过简单地与目标基底接触实现转移，展现出良好的可操纵性。在此基础上，作者将该网络与透明柔性基底相复合制备压力传感器，该传感器展现出优异的综合性能与实际应用潜力。这一研究表明，超长碳纳米管悬空网络在透明柔性可穿戴设备领域具有良好的应用前景。
【课题组介绍】
张如范 清华大学化工系长聘副教授、特别研究员、博士生导师、国家高层次人才计划入选者、中国颗粒学会青年理事、中国化学会奖励推荐委员会委员、中国材料研究学会高级会员、中国微米纳米技术学会青年工作委员会委员、中国化工学会专业会员、中国能源学会专家委员会委员，Coatings编委、SusMat、Carbon Future、Carbon Energy、Carbon Neutralization、Particuology及Exploration青年编委。主要从事纳米碳材料以及功能纳米材料的可控制备与性能表征及应用等方面的研究，在Science、Nature Nanotechnology、Nature Sustainability、Science Advances、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Journal of American Chemical Society、Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano等期刊发表论文118篇。申请发明专利20项；撰写学术专著7部。曾获中国颗粒学会自然科学奖一等奖（2024）、中国纺织工业联合会自然科学二等奖（2024）、全球华人化工学者学会未来化工学者（2024）、侯德榜化工科学技术青年奖（2019）、中国化学会青年化学奖（2018）、2018年《麻省理工科技评论》中国区 “35岁以下科技创新35人”（2018)、中国新锐科技人物（2018）、SusMat青年编委杰出贡献奖（2022）、教育部自然科学一等奖（2016）、清华之友-刘述礼育才奖（2021）、瑞士乔诺法（Chorafas）青年研究奖（2015）等奖励。
课题组网站链接：
http://www.rufanzhang-group.cn/
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