墨水作为一种传统的黑色材料，已广泛用于绘画和书法中，并且在数千年历史的中国文化遗传中发挥着重要的作用。墨水来源于松树燃烧后的产物，主要由碳纳米颗粒组成，具有许多优点，例如固有的黑色颜色、良好的水分散稳定性、对材料表面的强粘附性、适当的流动性和出色的光热性能。因此，墨水碳纳米颗粒(ICN)可以用于现代高科技领域，例如太阳能海水淡化和肿瘤治疗等。尽管ICN具有成本低、导电性好、光热效果好等优点，但有关将ICN用于设计多功能的吸光和导电器件的相关研究却很少。

近日，实验室提出了通过简单的浸涂方法将ICN组装到密胺海绵上，制备了导电复合海绵(CMF)，该工作发表于 Composites Part A (中科院分区：一区，影响因子：7.664)，题目为“Chinese Ink Coated Melamine Foam with Joule Heating and Photothermal Effect for Strain Sensor and Seawater Desalination”。论文第一作者为2018级硕士曹翔，刘老师为论文唯一通讯作者。

在该工作中，我们采用浸涂法将ICN组装在密胺海绵上，制备了多功能的复合海绵(如图1)。

图1.CMF制备过程示意图(A)；不同ICN含量的CMF的数码照片(B)、电阻率(C)、IR(D)和XRD(E)

考虑到CMF良好的导电性，制备的CMF材料可以作为高性能焦耳加热器，具有良好的热管理性能。表面温度与外加电压、ICN浓度、工作距离密切相关，并随CMF的变形而迅速变化。随着ICN含量的增加和电压的升高，在60 s时CMF的表面温度显著升高，这是由于电阻降低，电流增大，从而产生了较大的焦耳热。例如，10%CMF在7.5 V电压下的表面温度在60 s内迅速达到124.7^oC，而2% CMF的表面温度仅升至45.8^oC。温升与工作距离有关，随着工作距离的缩短，CMF表现出较高的表面温度。例如，10% CMF在7.5 V电压加载下工作60s，工作距离为2.5 cm时的表面温度为105.3^oC，而工作距离为1.0 cm时的表面温度为158.3^oC。优异的热管理性能使得CMF在可穿戴设备中表现出巨大的应用潜力，因此，利用温度变化的精确性，CMF可以灵敏地检测手指的弯曲动作。

图2. 不同ICN含量的CMF在7.5 V电压下的温度变化曲线(A)；10% CMF在不同电压下的温度变化曲线(B)；10% CMF的温升与电压的关系以及它们的红外热像图(C)；10% CMF在连续电压变化(D)和7.5 V电压下10% CMF在不同工作距离(E)的温度变化曲线；10% CMF的温度变化与工作距离的关系及其红外热像图(F)

图3. 10% CMF作为可穿戴设备在手指动作与温度变化中的关系

图4. 在808 nm激光照射下，将10% CMF用于海水淡化。光热图像(A)；不同ICN含量(B)和不同激光功率下(C)CMF的温度变化；质量随时间的变化(D)和蒸发速率和效率(E)

CMF具有优异的光热性能，所以可将其应用于海水淡化。采用808 nm激光作为光源，模拟海水淡化过程。能够明显看出，CMF的表面温度随ICN含量和功率的增加而升高。例如，用808 nm激光(2 W/cm²)照射样品时，10% CMF的温度在1 min内升高到86.2^oC，在15 min内进一步升高到106.7^oC，而空白组(纯水)和纯海绵在15 min内仅分别达到30.8^oC和45.2^oC。此外，温升与激光功率成正比，低功率下的温升有限。例如，在0.5 W/cm²激光照射下，10% CMF的表面温度在15 min内仅升至33.9^oC。用功率为2 W/cm²的激光实施海水淡化过程并记录海水质量。10% CMF比其他组表现出更快和更多的海水质量损失，并且ICN百分比较高的CMF表现出的更好性能。10% CMF的蒸发速率为3.26 kg/(m²·h)，远高于对照组(0.20 kg/(m²·h))和0% CMF(0.56kg/(m²·h))。10% CMF的蒸发效率为74.71%，远高于对照组(0.11%)和0% CMF(3.04%)。这些结果表明，CMF具有优良的光热转换性能，可以作为一种很好的海水淡化替代材料。

图5. 不同ICN含量CMF的电导率(A)；10% CMF在不同形变下的电阻变化(B)和电阻与形变的关系(C)；耐疲劳性(D)；10% CMF在不同变形下的电阻变化(E-I)

CMF具有较高的导电性，它的电阻对形变非常敏感。在0%、20%、40%、60%和80%压缩应变下，CMF的R/R₀分别为1.0、0.90、0.74、0.54和0.39。R/R₀与应变的关系也如图所示，压缩CMF时R/R₀值降低是因为在压缩过程中CMF导电网络变得更加紧密，于是CMF的电阻变得越来越小。CMF的电阻具有良好的重复性和稳定性，经过1000 s压缩恢复循环，CMF的电阻变化很小。用CMF检测手指和手腕的弯曲动作。当食指弯曲时，由于导电网络的拉伸，CMF的电阻明显增加。当手指伸直时，电阻恢复到原来的水平，这是由于CMF中ICN网络的重建引起的。而且，手指弯曲动作产生的电信号具有高度的相似性，结果表明，CMF对人体运动的检测具有响应快、电信号稳定的特点。这说明了CMF能够作为传感器监测人体的微小运动，可以应用于医疗器械中的智能设备。