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  南京工業(yè)大學(xué)董曉臣教授和黃維院士課題組將MXene引入PVA / PVP水凝膠網(wǎng)絡(luò)，制備了可拉伸的柔性應(yīng)變傳感器，其具有優(yōu)異的力學(xué)性能和傳感性能，可以對多種生理活動進行實時監(jiān)控，以“Highly Stretchable, Elastic and Sensitive MXene-based Hydrogel for Flexible Strain and Pressure Sensors”為題發(fā)表在Research上 (Research, 2020, 2038560)。

  近年來，電子皮膚因其與人體皮膚相似的拉伸性和傳感性能引起人們廣泛關(guān)注。其中，可以將生理信號轉(zhuǎn)化為電信號的柔性應(yīng)變傳感器，在柔性觸摸屏、健康臨床監(jiān)測、工業(yè)機器人等方面表現(xiàn)出巨大潛力。但有限的拉伸性能和低靈敏度嚴重阻礙了它們在柔性應(yīng)變傳感器中的實際應(yīng)用。

  水凝膠是一種包含大量水或離子液體的三維網(wǎng)絡(luò)，因其出色的可拉伸性、柔韌性和生物相容性而被廣泛用于柔性應(yīng)變傳感器。但是，由于交聯(lián)度有限且粘度較高，單網(wǎng)絡(luò)水凝膠的機械性能和穩(wěn)定性相對較差，制備兼具高拉伸性和高靈敏度的柔性可穿戴應(yīng)力傳感器仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

  南京工業(yè)大學(xué)董曉臣教授和黃維院士課題組報道了一種基于MXene-雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的高拉伸、高彈性、高靈敏的多功能柔性傳感器。有效能量消散機制的引入，構(gòu)建的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠大大提高了傳感器的機械性能；引入親水性MXene形成穩(wěn)定的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，大大提高了傳感器的傳感性能（圖1）。

圖1 MXene復(fù)合雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的合成示意圖

  MXene納米片表面大量的官能團（-OH，-F，-O等）可以與高分子鏈之間形成氫鍵，從而大幅提高水凝膠的拉伸性和韌性，并進一步提高其機械強度（圖2a）；圖2（b）表明：MXene納米片的加入可以構(gòu)建高度交聯(lián)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，顯著改善傳感器的靈敏度，但過量MXene也會導(dǎo)致GF的降低。因此，雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠中MXene的最佳含量為1%左右；圖2（c）表明：在0-120％的應(yīng)變范圍內(nèi)，應(yīng)變傳感器靈敏度隨著應(yīng)變的增加呈現(xiàn)三段式的增加；圖2（d-f）表明制備的壓力傳感器具有靈敏度高(GF = 10.75)、響應(yīng)速度快和檢出限低等特點。

圖2 MXene復(fù)合雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的力學(xué)性能和傳感性能

  優(yōu)異的機械性能和傳感性能使其可用于識別較寬范圍內(nèi)的人體運動（圖（3））,例如膝蓋彎曲，呼吸和脈搏跳動。

圖3 人體運動信號檢測

  由于該壓力傳感器具有靈敏度高、傳感范圍廣、響應(yīng)時間短、檢測限制小等優(yōu)點，可以應(yīng)用于微刺激檢測和特征壓力檢測。如圖4中的“摩斯密碼”、“帕金森震動模擬”和書寫筆記的鑒定等。為了使傳感器可以用于大規(guī)模不均勻壓力監(jiān)測,作者制備了5*5點陣器件，可以有效地顯示壓力的分布，在人機交互或其他實際應(yīng)用中顯示出巨大的潛力。

圖4 壓力傳感器的應(yīng)用

  作者將二維導(dǎo)電材料MXene加入到PVA/PVP雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠中，成功構(gòu)建了具有優(yōu)異機械性能的高靈敏MXene復(fù)合雙網(wǎng)狀水凝膠傳感器。該傳感器可以實現(xiàn)對人體活動的多種生理刺激的實時監(jiān)控，例如膝蓋彎曲、手指彎曲、脈搏跳動、語音、脈沖振動以及健康診斷等，它還可以進一步組裝成壓力傳感器的復(fù)雜矩陣，在人機交互、健康診斷和可穿戴電子設(shè)備方面具有良好的應(yīng)用前景。

  原文鏈接：https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/2038560/