開發(fā)具有針對溫度、人體運動和生理信號等不同信號的多重傳感功能的高性能可穿戴傳感器仍然是一個挑戰(zhàn)。在本報告中，通過結(jié)合聚（N-丙烯酰基甘氨酰胺）（PNAGA）水凝膠的熱敏性和自組裝性，制備了PVA-CA/聚（N-丙烯?；拾滨０罚?MXene水凝膠（PcNA-M）的新型兒茶酚官能化。 PVA(Pc)/MXene 水凝膠的兒茶酚功能化的動力特性。調(diào)整PNAGA和Pc的混合比例，使所得PcNA-M具有良好的拉伸、壓縮、回彈性能、快速自愈和溫度傳感性能。此外，還發(fā)現(xiàn)水凝膠的電導(dǎo)率有離子電導(dǎo)率和電導(dǎo)率的貢獻。為了針對不同的信號源產(chǎn)生不同形式的電信號，利用 PcNA-M 傳感器來監(jiān)測身體運動、切換溫度和手寫運動期間的電阻和電壓信號。 PcNA-M傳感器在自供電可穿戴傳感器應(yīng)用中表現(xiàn)出高靈敏度、可識別性和可靠性，在低頻機械能量收集領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的前景。這項研究為可穿戴自供電多信號傳感器監(jiān)測與人體運動相關(guān)的不同信號開辟了新的可能性。
圖1. 結(jié)合自供電、自修復(fù)和熱敏功能的PcNA-M水凝膠的制備和分子機制的圖解說明。
圖2 . PcNA-M 水凝膠的組成、微觀結(jié)構(gòu)和流變性能表征。 (A) Ti3C2Tx MXene不同放大倍數(shù)的TEM圖像； (B) Ti3C2Tx MXene的散射衍射圖； (C) Ti3C2Tx MXene 薄片的 XPS 譜； (D) 不同 PC 和 PNAGA 比例的 Pc/PNAGA 和 PcNA-M 水凝膠的 SEM 橫截面； (E) 在固定角頻率 (10 rad/s) 下進行應(yīng)變振幅掃描（應(yīng)變 = 10 %-3000 %）的水凝膠的 G' 和 G''。 (F) 水凝膠從20℃到80℃的溫度掃描；(G) 不同比例的Pc/PNAGA水凝膠和PcNA/MXene水凝膠自修復(fù)性能的流變測量。
圖3. PcNA/MXene 水凝膠的機械性能和自修復(fù)性能。 (A) 不同比例的 Pc/PNAGA 水凝膠、PcNA-MXene 水凝膠和水飽和 PcNA-M 水凝膠的拉伸可逆測試。 (B)&(C)不同拉伸周期和最大加載應(yīng)變下PcNA/MXene的循環(huán)加載-卸載拉伸試驗； (D)&(E)不同拉伸周期和最大加載應(yīng)變下PcNA/MXene的循環(huán)加載-卸載壓縮試驗； (F) 2 分鐘后 PcNA/MXene 自愈的照片。 (G) 原始水凝膠和自修復(fù)水凝膠在 0.5 mm/s 拉伸速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 (H) 水凝膠在多個分離和自修復(fù)循環(huán)過程中的實時電阻； （一）PcNA/MXene自愈過程中電阻的變化。
圖4. PcNA/MXene 傳感器的溫度傳感。 (A) PcNA-M水凝膠的原位紅外光譜； （B）C雙鍵O（1720–1750 cm−1）（C）N-H（1520–1560 cm−1）部分放大圖(D) PcNA/MXene應(yīng)變傳感器對25–65°范圍內(nèi)溫度的靈敏度C; (E)不同升溫速率下PcNA/MXene在25~50℃范圍內(nèi)對溫度的電阻變化;(F)25~50℃溫度循環(huán)測試;(G)PcNA/MXene的電阻變化MXene傳感器在35~40℃范圍內(nèi)逐步增加；（H）PcNA/MXene傳感器在25~50℃范圍內(nèi)分別在0%、50%和100%訓(xùn)練下的電阻變化； （I）PcNA/MXene傳感器在25℃、37℃、50℃下100%循環(huán)訓(xùn)練下的靈敏度。
圖5. PcNA/MXene 傳感器的機械傳感能力。 (A) PcAT MNP 應(yīng)變傳感器在 0–300% 應(yīng)變下的靈敏度； (B) 應(yīng)變傳感器在 1-150% 應(yīng)變下的 ΔR/R0 演化；PcNA/MXene 傳感器在監(jiān)測不同人體活動期間的 ΔR/R0 演化，包括 (C) 手指彎曲； (D) 膝蓋彎曲； (E) 脈搏； (F) 說“早上好，我的朋友們”時喉嚨的振動； (G) 循環(huán)測試（2000次）下的電阻變化。
圖 6. 用于不同拉伸狀態(tài)、身體運動和手寫的自供電傳感器。 (A) 不同拉伸狀態(tài)產(chǎn)生的輸出電壓； (B)&(C) PcNA-M−TENG 響應(yīng)肘部彎曲的電壓信號； (D) 400 次循環(huán)測試中 60% 應(yīng)變產(chǎn)生的輸出電壓。 (E-H) PcNA-M−TENG 用于感知不同的手寫細節(jié)； PcNA-M−TENG 拍手時的輸出性能： (I) 開路電壓； (J) 短路電流； (K) 轉(zhuǎn)移費用金額； (L) 用手敲擊 PcNA-M−TENG 點亮 44 個 LED 的照片。
相關(guān)科研成果由南華大學(xué)Tao Gong等人于2024年發(fā)表在Chemical Engineering Journal（https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151221）上。原文：High-sensitivity wearable multi-signal sensor based on self-powered MXene hydrogels
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151221
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
