MXene墨水直写式柔性传感器走进儿童玩具

研究背景

近年来，由于柔性电子器件在生物医学、可持续能源、人机互动和儿童玩具方面的应用前景广阔，因此获得了极大关注。主要由纤维素纤维生产的纸是具有吸引力的柔性电子产品的基材，因为它是可生物降解的，可折叠的，可定制的，而且重量轻。表面丰富的含氧基团赋予了蜂窝状的纸张极好的亲水性，这使得客体功能材料如纳米颗粒和染料可以通过毛细管力轻松沉积，并具有很强的粘附性。受日常手写的启发，通过在平面或弯曲的纸面上直接绘制导电油墨，可以实现具有任意图案的传感设备的快速原型设计；这为儿童设计和集成“自己动手(DIY)"的电子玩具提供了巨大的自由。

研究成果

在此，南京工业大学孙庚志教授联合兰州大学周金元教授及中国科学院合肥物质科学研究院Hongqing Pan研究员等人提出由Ti3C2TX MXene 沉淀物制成的粘性和无添加剂的墨水通过简单的圆珠笔绘画来制备一次性纸质电子产品。绘制的纸质传感器具有交织的纳米片、纳米片和纳米颗粒的分层微结构，因此与那些基于单层/少层MXene 纳米片的传感器相比，表现出更优越的机械感应性能。作为概念应用的证明，基于 MXene 的纸质传感器实现了几种流行的儿童游戏，包括“你说我猜”“情绪表达”、“石头剪刀布”、“掰手腕”、“投掷游戏”、“胡萝卜蹲”和“抢杯子”，以及为一只卡通老鼠设计的智能胡须。此外，基于 MXene 的纸质传感器是安全和一次性的，不会产生任何电子垃圾和对环境的危害。相关研究以“Ti3C2TX MXene Ink Direct Writing Flexible Sensors for Disposable Paper Toys”为题发表在Small期刊上。

图文导读

Figure 1. Preparation and characterization of MXene supernatant and MXene sediment.

Figure 2. Formation of MXene inks and ball pen drawing MXene conductive patterns.

Figure 3. Strain sensing performances of MXene-based paper sensors.

Figure 4. a) Demonstrations of paper sensors as electronic toys for children’s games. b) “You say， I guess” by using a paper sensor for laryngeal muscle movement monitoring. c) “Emotional expression” by using a paper sensor for facial recognition. d) “Rock-Paper-Scissors” by using the paper sensors to distinguish the hand gestures. e) “Arm wrestling” by using a paper sensor to identify the wrist bending. f) “Throwing game” by using a paper sensor to monitor the elbow movement. g) “Carrot squat” by using a paper sensor to monitor the knee movement.

Figure 5. a) Applications of diverse DIY electronic toys. b) A DIY smart cup by drawing the sensor on the cup surface. c) A DIY Morse code encoder based on the paper sensor. d) Music recognition by attaching a paper sensor on a loud speaker to detect the frequency and strength of vibration during playing a song. e) A DIY electronic whisker mounted on the mouth of to a cartoon mouse to measure the gate width when passing through.

Figure 6. Oxidation of Ti3C2TX MXene and degradation of paper sensors.

总结与展望

综上所述，作者提出了一种简单的直接写墨策略来制造基于 MXene 的纸质传感器，并将其应用于互动电子玩具。MXene 墨水的组成对影响纸基上的组装微结构起着至关重要的作用这反过来又决定了应变感应的机制。完全剥落的单层/少层MXene 纳米片在书写MXene油墨时形成了一个分层结构，导致了一个高导电层，但应变灵敏度较差。相比之下，书写多组分的 m-MXene 油墨能够形成一个分层结构，纳米片和纳米颗粒与二维纳米片交织在一起在变形时引起大量的微裂缝。MXene 纳米片的层间滑移和微裂缝的断开使应变传感器具有卓越的灵敏度。简单明了的器件制作方法让孩子们可以轻松地设计 DIY 电子玩具；例如，展示了电子钢琴原型、摩斯编码器、智能电子杯、卡通老鼠的电子胡须，为孩子们提供了个互动平台，让他们通过玩游戏发现电子的奥秘。更重要的是，基于 MXene 的纸质传感器可以直接燃烧，不会产生任何电子垃圾，对环境造成危害。

文献链接

Ti3C2TX MXene Ink Direct Writing Flexible Sensors for Disposable Paper Toys

转自：“i学术i科研”微信公众号

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