柔性可穿戴多功能传感器可将形变、温度或湿度等外部刺激转化为实时检测的电子信号,推动了电子皮肤、个人健康管理设备、智能机器人等应用产品的发展。在个人健康管理中,精准高效的睡眠检测系统有助于人们了解睡眠质量,及时发现潜在的睡眠问题。然而,湿度传感器在检测人体呼吸时会受到皮肤汗液以及温度的影响;另一方面,应变传感器在检测人体动作时不仅要具备宽广的应变响应范围,还需具有全工作范围内的高灵敏度。最近,人们将生物组织和器官中的梯度结构引入传感器,以提高传感器的灵敏度和机械性能。例如,鳄鱼的骨皮密度呈现从外到内的梯度分布,使得其具有高抗冲击性和韧性;此外,具有类似结构的干苞片在吸湿后会发生形态变化,而这种变化是由苞片内梯度分布的活性细胞吸湿后产生的变形差异引起的。这种独特的生物梯度结构赋予生物出色的环境感知能力和优异的机械性能。因此,针对梯度结构的设计和研究,有望开发出用于多功能传感器的新型敏感材料。
在前期研究工作中,广西大学徐传辉教授课题组通过调控二维片层状纳米材料MXenes在羧基丁苯橡胶(XSBR)中的均匀分散,迫使MXenes在XSBR基体拉伸过程中沿着拉伸方向取向,尽管MXenes片之间的接触减少,但片层间距减小,通过电子隧道效应在片层间形成新的导电通路,这使得材料在60%的小应变下保持相对稳定的导电性(Composites Part A, 2023, 170, 107545)。近期,他们在前期工作的基础上,利用MXenes自身的重力驱动,通过聚丙烯酸钠(PAANa)与之形成氢键使MXenes在XSBR基体中形成由上至下的梯度分散的同时保持高度取向,以此获得具有梯度结构的柔性多功能传感器材料(XSBR/PAANa/MXene),并设计了一种集成检测系统,可在不同尺度上准确检测呼吸和身体运动。
1、XSBR/PAANa/MXene复合材料的制备(图1)
图1. XSBR/PAANa/MXene复合材料的制备
2、XSBR/PAANa/MXene复合材料的表征(图 2)
图2. XSBR/PAANa/MXene复合材料的结构表征
3、XSBR/PAANa/MXene复合材料的应变传感性能(图3)
图3. XSBR/PAANa/MXene复合材料的应变传感性能
4、XSBR/PAANa/MXene复合材料的湿度传感性能(图4)
图4. XSBR/PAANa/MXene复合材料的湿度传感性能
原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202400789
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