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黄维院士、董晓臣教授团队在Research上发表高拉伸、高灵敏MXene基水凝胶柔性传感器最新进展
 添加时间:2020/08/12 发布:
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近年来,电子皮肤以其与人体皮肤功能相似的拉伸性和传感性能,引起广泛关注。其中,将生理信号转化为电信号的柔性应变传感器,在柔性触摸屏、临床健康监测、工业机器人等方面具有巨大潜力。但是,有限的拉伸性能和低灵敏度严重阻碍了它们在柔性应变传感器中的应用。

水凝胶是一种包含大量水或离子液体的三维网络结构,因其出色的可拉伸性、柔韧性和生物相容性而被广泛用于柔性应变传感器。但是,单网络水凝胶由于交联度有限、粘度较高,其机械性能和稳定性均较差。目前,制备兼具高拉伸性和高灵敏度的柔性可穿戴应力传感器仍具有巨大挑战。

南京工业大学董晓臣教授课题组报道了一种基于MXene-双网络水凝胶的高拉伸性、高弹性、高灵敏度多功能柔性传感器。通过引入有效的能量消散机制构建双网络水凝胶,极大提高了传感器的机械性能;通过引入亲水性MXene形成稳定的三维导电网络,并与水凝胶链之间形成强相互作用,极大提高了传感器的机械性能和传感性能。基于MXene - PVA / PVP双网络(MDN)水凝胶的柔性传感器兼具高拉伸性和高灵敏度,不但可以准确响应各种大型人体运动,而且可以采集微小生理信号,进行准确健康诊断。此外,组装成传感器阵列能精确检测空间压力分布,这在人机交互或其他现场应用中显示出巨大的潜力。

图1 MXene复合双网络水凝胶的合成示意图

 

MXene纳米片表面大量的官能团(-OH,-F,-O等)可以与高分子链之间形成氢键,从而大幅提高水凝胶的拉伸性和韧性,并进一步提高其机械强度(图2a);图2(b)表明:MXene纳米片的加入可以构建高度交联的导电网络,显著改善传感器的灵敏度,但过量MXene也会导致GF的降低。因此,双网络水凝胶中MXene的最佳含量为1%左右;图2(c)表明:在0-120%的应变范围内,应变传感器灵敏度随着应变的增加呈现三段式的增加;图2(d-f)表明制备的压力传感器具有灵敏度高(GF = 10.75)、响应速度快和检出限低等特点。优异的机械性能和传感性能使其可用于识别较宽范围内的人体运动(图(3)),例如膝盖弯曲,呼吸和脉搏跳动。

图2 MXene复合双网络水凝胶的力学性能和传感性能


图3 人体运动信号检测


由于该压力传感器具有灵敏度高、传感范围广、响应时间短、检测限制小等优点,可以应用于微刺激检测和特征压力检测。如图4中的“摩斯密码”、“帕金森震动模拟”和书写笔记的鉴定等。为了使传感器可以用于大规模不均匀压力监测,作者制备了5*5点阵器件,可以有效地显示压力的分布,在人机交互或其他实际应用中显示出巨大的潜力。本文以“Highly Stretchable, Elastic and Sensitive MXene-based Hydrogel for Flexible Strain and Pressure Sensors”为题发表在Research上 (Research, 2020, 2038560 | https://doi.org/10.34133/2020/2038560)。

图4 压力传感器的应用


原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/BkYTNdhF-5bhyCi2cDPraw

(作者:先进材料研究院;审核:王建浦)

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