可穿戴传感器正在成为新开发的智能设备的重要组成部分,在健康监测、运动检测和人机交互方面具有重要的应用前景。最近,香港城市大学吕坚教授团队开发出一种简便、经济的策略,即牺牲式 3D 打印,用于制造具有可控耐磨性和晶格几何参数(如孔隙率、单胞尺寸和结构)的高可压缩性多孔压力传感器。首先,使用市场上常见的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)长丝,利用价格在 1500 元或以下的商用熔融沉积成型(FDM)3D 打印机制造ABS牺牲模具。然后,将低粘性聚合物(即 PDMS)浇注到所需的 3D 打印模具中,随聚合物固化后使用丙酮溶剂溶解模具,最终得到具有表面褶皱结构的三周期极小曲面超材料。鉴于 MXene 具有优异的导电性和可定制的表面官能团,他们采用偶联剂对MXene进行了硅烷化处理,使得带负电和带正电的MXene纳米片具有自组装能力,从而增强了Mxene作为导电层的均匀性和附着力。最后,采用逐层浸涂的方法在聚合物晶格表面覆盖MXene导电层。因此,可以获得具有成本效益且易于使用的传感器。
一般来说,为了制造基于 MXene 的压阻多孔压力传感器,许多研究都侧重于将 MXene 组装到二维宏观基底(如织物和纸张)或三维结构(如气凝胶和海绵)中。然而,使用传统方法对多孔结构进行高水平控制具有挑战性,而且成本高昂。采用牺牲式三维打印进行逐层组装可以克服这些限制,开发出低成本、高性能和高度可控的压力传感器。
图 1 采用牺牲式 3D 打印策略的多孔压力传感器的制备过程、打印保真度和灵活性(来源:Chemical Engineering Journal)
图 3 通过原位扫描电子显微镜观察多孔压力传感器的性能和传感机制(来源:Chemical Engineering Journal)
要获得性能理想的多孔传感器,关键在于提高涂层的坚固性。提出自组装 MXene 涂层的新颖之处在于 MXene 纳米片与底层 PDMS 支架之间可以实现全面结合。他们发现,MXene 和 S-MXene 纳米片材能与等离子体处理过的 PDMS 支架产生强大的氢键和静电作用,从而全面覆盖 Gyroid 表面。此外,这两种纳米片还能通过极性相互作用和氢键相互吸引,形成自组装涂层。这就是自组装 MXene 传感器(SPS 传感器)比 MXene 传感器(MPS)性能更高的主要原因。
基于Gyroid结构的压力传感器具有极小的检测极限,可以检测到重量为 28 毫克的米粒。该传感器在运动检测、发音和脉搏监测等多种应用中展现出巨大的潜力。值得注意的是,该传感器的可穿戴性可以精确控制,从而可制造出满足用户私人定制需求的产品,如弯曲传感器和指环。此外,4×4 传感器阵列的组合可提供实时空间压力映射,从而检测应用对象的位置和形状,如 "城大 "的首字母缩写。
图 6 4×4 压力传感器阵列的制作过程和应用(来源: Chemical Engineering Journal)
近日,相关论文以《牺牲式 3D 打印来制造具有可调性能的基于 MXene 的可穿戴传感器》“ Sacrificial 3D printing to fabricate MXene-based wearable sensors with tunable performance”. 发表在Chemical Engineering Journal 上。香港城市大学博士生Amr Osman和香港城市大学博士后研究员Hui Liu为本论文的共同第一作者,Lu Jian教授为通讯作者。
下一步,研究小组将利用三维打印技术,开发稳定性和性能更高的其他多孔传感器。三维打印技术的全部潜力在于它可以提供高度定制化和性能调整。采用廉价方法是开发适用和可扩展压力传感器的关键。此类传感器可应用于多种领域,特别是为老年人和病人提供持续的健康监测,以及人机交互,如机器人控制和虚拟现实(VR)。
原文链接:A. Osman, H. Liu, J. Lu, Sacrificial 3D printing to fabricate MXene-based wearable sensors with tunable performance, Chem. Eng. J. 484 (2024) 149461.
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149461
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