最近，智能可穿戴设备发展迅速。然而，传统的可穿戴设备通常使用刚性电子元件和硬材料，这限制了设备的舒适性和灵活性。柔性可穿戴技术是一种新型电子技术。与传统的硅基电子器件相比，柔性可穿戴式压电传感器具有轻薄、柔软、舒适等优点。目前，多功能可穿戴技术的应用已经在各个领域实现，如运动监测、人机交互和可穿戴医疗设备。然而，为了满足当前应用的实际需要，柔性压电传感器在其高灵敏度、高分辨率、快速响应和良好的稳定性方面遇到了挑战。

  近日，北京石油化工学院师奇松副教授课题组在《POLYMER》期刊上发表题为“Synergetic effect of MXene/MoS₂ heterostructure and gradient multilayer for highly sensitive flexible piezoelectric sensor”的论文。在本研究中，采用了梯度多层和2D/2D（MXene/MoS₂）异质结的新概念，可以有效地促进界面耦合效应，将更多的3^1-螺旋构象转变为平面之字形构象，显著改善多层复合纤维薄膜的介电、铁电和压电性能，从而提高其输出性能。

  该传感器表现出高度灵敏，能够检测到手指弯曲等细微的人体动作，以及监控人体在投篮运动中身体各个部位的信号。优异的机械性能使压电传感器具有柔性、轻便等特点。此外，传感器具有良好的透气性，可以直接附着在皮肤上，使皮肤能够正常呼吸，并减少因长时间佩戴传感器而导致皮肤刺激的可能性，从而提高传感器的舒适性。在可穿戴式人体运动监测中具有很大的应用潜力。

本文亮点：

1. 基于每一层MoS₂的浓度，通过逐层静电纺丝制备的PAN梯度多层纤维薄膜。

2. 由MXene和MoS₂形成的2D/2D异质结构，与PAN的-CN产生了氢键的相互作用，增强了压电性能。

3. 异质结构和梯度多层结合的新概念，增强界面耦合。

4. 能够监测人体细微的生理活动和感知人体的大幅度运动

5. 该纤维薄膜用作可穿戴传感器，增强透气性，使佩戴者感到舒适。

图1. PAN 3^1-螺旋构象转变为平面之字形构象的机理图。

图2. PAN多层复合纤维膜的开路电压：(a)在不同的力下，(b)力-电压线性图，(c)手指不同弯曲角度，(d)不同厚度，(e)厚度-电压线性图，(f)不同接触面积。(g)压缩?释放6000 次循环。(h)反应时间和恢复时间。(i)反向和正向连接。

图3. (a)PAN纤维膜和(b)PAN多层纤维膜的接触角。(c)不同样品覆盖物下水分蒸发的示意图。(d)不同材料下剩余水质量与时间的关系图。

图4. 不同学生在PAN复合多层光纤薄膜传感器上写下“B”、“I”、“P”、“T”的电压输出信号。

图5. PAN多层纤维复合膜的开路电压：(a)手腕，(b)内肘、(c)肘、(d)腿、(e)-(g)膝弯曲不同的角度；(h)-(j)不同行走姿势。

  论文第一作者为北京石油化工学院新材料与化工学院2021级硕士生黄妍，论文通讯作者为北京石油化工学院师奇松副教授和燕山大学梁永日教授。

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.polymer.2023.126399