伴随大健康产业的快速发展,以智能手环、可穿戴健康管理设备为代表的智能医疗类消费电子产品应运而生。从满足穿戴舒适度的角度出发,柔性压力传感器具有人体贴合性好、柔韧性高和可变形的特性,能够适应人体运动过程中对器件高变形能力和长使用寿命的需求。MXene材料拥有超高的电导率和灵活可调的层间距,是适合开发新一代柔性压力传感器的理想响应材料之一。然而,MXene材料在水-氧双重作用下易发生氧化,使得传感器和皮肤/汗液长期接触过程中,器件灵敏度和可靠性不断降低。
针对上述问题,西安工程大学杨杰/王琛教授研究团队采用纳米纤维素插层联合表面疏水改性策略,将细菌纤维素(Bacterial Cellulose,BC)引入到Ti3C2Tx MXene层间,并赋予BC/Ti3C2Tx (HBT)复合膜优异的耐水功能(图1)。细菌纤维的插入促使MXene片层被有效分离,膜层内部导电网络结构进一步优化,赋予HBT压力传感器高的响应灵敏度。同时,HBT薄膜表面优异的疏水性能可防止水分子的侵入,赋予传感器良好的耐水防潮能力,有效解决了MXene可穿戴传感器面临的响应性能降低问题。所研制的传感器可用于不同状态下人体全范围运动信号的实时、有效监测。该研究以“Water-Tolerant MXene Epidermal Sensors with High Sensitivity and Reliability for Healthcare Monitoring”为题发表在国际知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上,西安工程大学校聘副教授杨杰博士为本文通讯兼第一作者,王琛教授为共同第一作者。
图1 HTB复合传感薄膜的制备过程示意图
图2 HTB复合膜的(a, b)光学照片,(c)表面、(d,e)截面SEM显微图像和(f)元素分布。
图3 HBT薄膜复合膜化学组分分析(a)X-射线衍射图谱,(b)XPS全谱,HBT复合膜高分辨XPS谱图:(c)F1s谱和(d)F1s谱。
图4 BT复合膜和HBT复合膜疏水性能对比。(a)BT薄膜和(b)HBT薄膜表面水接触角和水中浸泡前、后光学照片,(c,d)BT和HBT薄膜电导率随水中浸泡时间变化关系曲线。
图5 HTB柔性压力传感器响应性能。(a)HBT压力传感器灵敏度曲线;(b)传感器在微小压力小的实时电流变化,(c)传感器检测限、(d)响应、恢复时间以及(e)循环稳定性.
图6(a)BT和HTB柔性压力传感器在水中浸泡前、后的实时电流变化曲线对比,HBT传感器水中浸泡后的(b)灵敏度曲线和(c)循化寿命。
图7 HTB柔性压力传感器用于人体运动信号的检测。用于监测测(a)触摸、(b)膝盖弯曲、(c)发音以及(d)腕部脉搏信号,(e)用于识别运动前、后出汗状态下的面部表情。
论文信息:
Jie Yang,* Chen Wang, Liyuan Liu, Hongli Zhang, Jianhua Ma. Water-Tolerant MXene Epidermal Sensors with High Sensitivity and Reliability for Healthcare Monitoring. ACS Applied Materials & Interfaces 2022.
https://doi.org/10.1021/acsami.2c03731
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