石墨烯氣凝膠因其有序的微觀結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，為未來(lái)人機(jī)界面高性能壓力傳感器的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了巨大前景。 然而，多孔微結(jié)構(gòu)的固有剛度導(dǎo)致應(yīng)變感應(yīng)范圍有限，從而阻礙了其應(yīng)用。 在這里，通過(guò)在專(zhuān)用截面平面上將微結(jié)構(gòu)從蜂窩狀重新配置為屈曲結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了一種各向異性交聯(lián)殼聚糖和還原氧化石墨烯（CCS-rGO）氣凝膠超材料。 重新配置后的 CCS-rGO 氣凝膠顯示出定向超彈性和非凡的耐久性（在定向壓縮應(yīng)變≤0.7 的條件下，經(jīng)過(guò) 20 000 次循環(huán)后，結(jié)構(gòu)無(wú)明顯損壞）。 CCS-rGO 氣凝膠壓力傳感器具有 121.45 kPa
-1 的超高靈敏度、前所未有的傳感范圍以及穩(wěn)定的機(jī)械和電氣性能。 氣凝膠傳感器可用于監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)、控制機(jī)器人手，甚至集成到柔性鍵盤(pán)中播放音樂(lè)，這為未來(lái)的人機(jī)界面開(kāi)辟了廣闊的應(yīng)用前景。
Fig 1. 重構(gòu)CCS rGO氣凝膠超材料的制備和表征。（a–d）CCS rGO氣凝膠制造示意圖。（a） GO和殼聚糖在水中的混合。（b） 定向冷凍以產(chǎn)生交聯(lián)的GO網(wǎng)絡(luò)。（c）冷凍干燥以獲得CS-GO氣凝膠。（d） 熱退火以實(shí)現(xiàn)具有重構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)的CCS rGO。（e） 殼聚糖和GO在合成過(guò)程中的化學(xué)成分和相互作用。（f） 退火過(guò)程中GA和CS之間形成的化學(xué)交聯(lián)。（g）不含殼聚糖的GO、（h）CS-GO和（i）CCS rGO氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。CS-GO和CCS-rGO氣凝膠的（j和k）C 1s光譜和（l和m）N 1s光譜。（n） CS-GO和CCS-rGO氣凝膠的FTIR光譜。（o） CCS rGO材料在單軸壓縮下的變形圖示。（p） CS-GO和CCS rGO的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（q） 水在CCS rGO氣凝膠上的大接觸角。（r） 花瓣上輕盈的CCS rGO氣凝膠的快照。
Fig 2. 橫截面中平面微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的力學(xué)。（a–d）顯微CT圖像和（e–h）退火溫度分別為25、140、180和220°C的微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像。（i） 3D插圖和2D FEA模型。（j） t/t0=0.9時(shí)初始（灰色）和重構(gòu)（黃色）微觀結(jié)構(gòu)的比較。（k） 半蜂窩結(jié)構(gòu)在不同時(shí)間跨度下的熱屈曲模擬結(jié)果。標(biāo)簽1-4分別表示t/t0值為0.3、0.6、0.9和1時(shí)的狀態(tài)。（l） 加熱后冷卻的模擬結(jié)果。（m） 屈曲蜂窩結(jié)構(gòu)（綠色）和屈曲結(jié)構(gòu)（紫色）隨溫度變化的相圖。（n） 歸一化動(dòng)能Ek/Ek的演變?cè)诓煌瑴囟认乱詴r(shí)間比t/trend結(jié)束。
Fig 3. CCS rGO氣凝膠的穩(wěn)健定向機(jī)械傳感性能。形態(tài)（a）在Z方向20000次壓縮循環(huán)之前和之后。（c） 在0.1-0.5的εcomp范圍內(nèi)壓縮的氣凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（d） 不同加載速率下氣凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（e） 當(dāng)εcomp固定為0.3時(shí)，氣凝膠在循環(huán)壓縮下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（f） 不同εcomp水平下的電流響應(yīng)。（g） 在0-2.5 kPa的σcomp范圍內(nèi)的靈敏度。（h） 與εcomp和循環(huán)壓縮相關(guān)的阻力變化。（i） εcomp為0.5時(shí)，20000次循環(huán)的電流穩(wěn)定性。（j） 我們的壓力傳感器與現(xiàn)有傳感器的靈敏度和最大壓應(yīng)力的比較。（k） 比較我們的壓力傳感器和其他還原氧化石墨烯氣凝膠傳感器的多個(gè)參數(shù)，包括經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、測(cè)試周期、最大壓應(yīng)力、最大壓應(yīng)變、靈敏度和響應(yīng)速度（為確保每個(gè)參數(shù)的有益增長(zhǎng)趨勢(shì)的一致性，響應(yīng)速度被視為負(fù)數(shù)）。
Fig 4. 基于CCS rGO氣凝膠的多模式壓力傳感器，適用于不同場(chǎng)景。（a） CCS rGO簡(jiǎn)單測(cè)試單元（插入件）和手指彎曲的角電流響應(yīng)。（b） 彎曲機(jī)構(gòu)的等效二維模型。人體檢測(cè)的當(dāng)前信號(hào)，包括（c）面部表情，（d）脈搏，（e）說(shuō)“交通”和“傳感器”，以及（f）呼吸。（g） 用于操縱機(jī)器人手的手指?jìng)鞲衅鞯呐渲?。（h） 人機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)示意圖。（i） 五個(gè)手指在不同的應(yīng)變下，對(duì)應(yīng)機(jī)器人手的手指同步手勢(shì)。（j） 與四個(gè)手勢(shì)相關(guān)的每個(gè)手指的模擬信號(hào)值。（k和l）基于CCS rGO氣凝膠定制陣列的電子鋼琴原型和產(chǎn)品。
相關(guān)研究成果由西安交通大學(xué)Fei Chen，諾桑比亞大學(xué)Ben Bin Xu，阿爾伯塔大學(xué)Xuehua Zhang和加州大學(xué)洛杉磯分校Ximin He團(tuán)隊(duì)于2024年共同在線發(fā)表在《Nano Letters》期刊上，Microstructure-Reconfigured Graphene Oxide Aerogel Metamaterials for Ultrarobust Directional Sensing at Human–Machine Interfaces，原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c03706
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
