實時檢測不同的生理特征對于人類的身心健康至關(guān)重要。一種具有多模態(tài)傳感能力、高靈敏度、優(yōu)異的機械性能和環(huán)境穩(wěn)定性的檢測系統(tǒng)是非常理想的，但這仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。受生物組織結(jié)構(gòu)梯度的啟發(fā)，本研究制備了一種基于羧基苯乙烯丁二烯橡膠（XSBR）和聚丙烯酸鈉（PAANa）非共價修飾MXenes的多功能傳感器，其中MXenes呈現(xiàn)梯度分布，同時形成梯度分布。通過與 PAANa 形成氫鍵相互作用，在基質(zhì)底部定向排列。該材料具有 244% 的可觀拉伸性和 7.67 MPa 的強度、55.40 S m−1 的高電導(dǎo)率、2.48 wt% 的低滲透閾值以及對應(yīng)變（98% 應(yīng)變內(nèi)應(yīng)變系數(shù)為 906.7）和濕度的出色響應(yīng)（11-93% 相對濕度內(nèi)相對電阻變化為 530%）?；赬SBR/PAANa/MXene復(fù)合材料的優(yōu)越性能，設(shè)計了集成檢測系統(tǒng)，可以準確檢測各種尺度的呼吸和身體運動。這項工作為開發(fā)用于傳感器應(yīng)用的新型仿生功能材料提供了新的視角。
圖1. a) XSBR/PAANa/MXene 復(fù)合材料的示意圖和功能梯度結(jié)構(gòu)。 b) 系統(tǒng)級框圖，顯示信號處理和傳輸?shù)?OLED 屏幕和手機的情況。 c) 通過手機進行實時人體運動監(jiān)測和分析。
圖2. a) 具有兩個不同表面的 XSBR/PAANa/MXene 復(fù)合材料的照片：XSBR/PAANa 表面和 MXene/PAANa 表面。 b) XSBR/PAANa/MXene 復(fù)合材料的功能梯度結(jié)構(gòu)示意圖。 c) XSBR/PAANa/MXene 復(fù)合材料的 EDS 圖像。 d) XSBR/PAANa 表面和 MXene/PAANa 表面的 XPS 調(diào)查掃描光譜。 e) PAANa、MXene、XSBR 富集層和 MXene 富集層的 XRD 圖案。 f–i) 富含 XSBR 層和富含 MXene 層的 TEM 圖像。
圖3. a) 具有不同 MXene 含量的 XSBR/PAANa/MXene 復(fù)合材料的 MXene/PAANa 表面的 FTIR 光譜。 XSBR/PAANa 表面和 MXene/PAANa 表面的 b) O 1s 和 c) C 1s 的 XPS 譜。 d) XSBR/PAANa/MXene 復(fù)合材料的溶脹比。 e) 當薄膜平面平行于 X 射線束時，具有不同入射角的 XSBR/PAANa/MXene 復(fù)合材料的 SAXS 圖。 f) 典型的應(yīng)變-應(yīng)力曲線，g) XSBR/PAANa/MXene 復(fù)合材料的機械性能。
圖4. a) 具有不同 MXene 納米片含量的 XSBR/PAANa/MXene 復(fù)合材料的電導(dǎo)率以及電導(dǎo)率與 (φ–φc) 的對數(shù)圖。 b) XSBR/PAANa/MXene-6 相對于施加應(yīng)變的典型相對電阻變化。 c) XSBR/PAANa/MXene-6 在不同應(yīng)用菌株下隨時間變化的相對電阻變化。 d) XSBR/PAANa/MXene 復(fù)合材料的 GF 和電導(dǎo)率與報告的 FCE 的比較。 e) XSBR/ PAANa/MXene-6 在 60% 應(yīng)變下 23 500 s 期間的相對電阻變化。 f–h) XSBR/PAANa/MXene-6 拉伸過程中網(wǎng)絡(luò)變化的示意圖。
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圖5. a) MXene 質(zhì)量分數(shù)為 4、6、8 和 10 wt% 的 XSBR/PAANa/MXene 復(fù)合材料的標準化相對電阻變化，作為相對濕度從 11% 增加到 93% 的函數(shù)。 b) 復(fù)合膜在22%~75%RH下的實時電阻變化曲線。 c)濕度傳感器在33%、54%和68%RH下的穩(wěn)定性測試。 d) XSBR/PAANa/MXene 復(fù)合薄膜厚度變化機制示意圖。 e) XSBR/PAANa/MXene 復(fù)合材料在 33% 和 75% RH 下的 AFM 圖像。 f–h) 對指尖上的輕微濕氣和吹氣有敏感反應(yīng)
圖6. a) 應(yīng)變傳感器制備過程。 b) 佩戴者說出“a”、“b”、“c”、“傳感器”或“橡膠”時的發(fā)聲。 c-f) 相對阻力隨著手指、腰、肘、膝的彎曲而變化。
相關(guān)科研成果由廣西大學Chuanhui Xu等人等人于2024年發(fā)表在Advanced Functional Materials（https://doi.org/10.1002/adfm.202400789）上。原文：A High-Sensitive Rubber-Based Sensor with Integrated Strain and Humidity Responses Enabled by Bionic Gradient Structure
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202400789
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
