最大化电子通道设计实现高性能自愈性柔性电子皮肤

研究背景

目前最先进技术的进步增加了对智能可穿戴电子设备的需求。柔性压力传感器对物理信号到电信号的转换至关重要。这些信号转换在众多领域发挥着重要作用，包括可穿戴设备、疾病诊断和智能机器人。然而，一些实际挑战仍然存在，包括压力传感器与各种物体的兼容性、监测外力的灵敏度、线性检测范围和稳定性。开发具有高灵敏度、宽线性检测范围和优良稳定性的柔性电子皮肤具有重要意义，将促进其广泛的实际应用。具有优良传感性能的柔性传感器需要具有适当物理和化学特性的敏感层材料。二维(2D)材料的发现促进了柔性电子表皮的发展。最近发现的二维材料家族，MXenes， 由于其出色的金属导电性(9880 S cm-1) 和亲水性，在压力传感器领域引起了相当大的关注。在外力作用下，层间距离的变化引起的压阻效应导致了压力传感器的电子通道变化。然而，MXenes有限的层间距离和容易自堆叠的特性导致在压力作用下电子通道的变化很小，这使得MXenes优异的表面金属特性难以得到发挥。

大多数研究使用层间复合材料来增加层间距，将敏感材料附着在微结构表面，并构建气凝胶以利用金属表面的特性。然而，层间间距的扩大和对微结构表面的附着将产生有限的电子通道。此外，必须考虑与其他材料的兼容性和制备过程的复杂性，这可能会限制压力传感器性能的改善。具有丰富的多孔网络结构和优良的机械性能的气凝胶大多是轻的和稳定的，它作为压力传感器合适的敏感层。然而，传统的气凝胶制备方法很难实现精确的结构控制，需要复杂的过程和周期。因此，迫切需要改进气凝胶的制备过程，以精确控制结构并利用MXenes的优良表面性能。

研究成果

华中科技大学大李露颖教授&安徽大学岳阳副教授&湖北汽车工业学院Yanan Ma等人提出了一种快速气体发泡的策略来构建层间可调的MXene气凝胶。具有丰富的层间网络结构的MXene气凝胶在压力下产生了最大化的电子通道，有利于有效利用MXene的表面金属特性；这就形成了一种可自愈的柔性压力传感器，具有高灵敏度(1799.5 kPa-1)、快速响应时间(11 ms)和良好的循环稳定性(>25000次)等优良的感应特性。这种压力传感器可应用于人体检测、人机互动、自我修复、远程监控和压力分布识别。最大化的电子通道设计提供了一种简单、高效、可扩展的方法，有效地利用了二维材料的优良表面金属传导。相关研究以“Maximizing Electron Channels Enabled by MXene Aerogel for High-Performance Self[1]Healable Flexible Electronic Skin”为题发表在ACS Nano期刊上。

图文导读

Figure 1. MXene aerogel with maximized electron channels for self-healable flexible pressure sensor.

Figure 2. Morphology and material characterizations.

Figure 3. Structural evolution of the MXene/rGO aerogel and mechanism of the pressure sensor.

Figure 4. Sensing performance of the MXene/rGO aerogel pressure sensor.

Figure 5. Practical applications of the MXene/rGO aerogel sensor including the identification of different bending angles.

Figure 6. (A) Underwater pressure detection. (B) Robot motion detection. (C) 4 × 4 micro-pressure array to detect weight distribution. (D) Remote monitor of pressure signals via a Bluetooth module (the equivalent circuit diagram is shown in the upper right corner). (E) Schematic diagram showing the self-healing mechanism (left); the pressure control circuit remains functional after self-healing treatment of the sensor (right).

总结与展望

利用快速气体发泡技术构建了层间可调控的MXene/rGO气凝胶，使层间电子通道最大化，从而大大促进了MXene 的表面金属特性。通过SEM和XPS表征揭示了MXene气凝胶的层间变化，通过原位SEM观察到的结构演变和相应的孔隙率变化表明其在压力传感器领域的潜在应用。获得的MXene气凝胶压力传感器表现出优异的传感性能，包括高灵敏度(1799.5 kPa-1)、快速响应时间(11ms)、良好的循环稳定性(>25000次) 和自我修复能力。该传感器能以高灵敏度识别来自人体内部活动的信号，特别是脉搏信号和轻微的呼吸。此外，该传感器可以识别微小的压力分布，远程监测压力信号，并描述人机互动的特征。此外，赋予了传感器自愈能力，通过它可以保留其功能，如在几个周期的自愈处理后控制电路的状态。最大化的电子通道设计提供了一种简单、高效和可扩展的方法，可以有效地利用二维材料(如MXenes)出色的表面金属导电性。

文献链接

Maximizing Electron Channels Enabled by MXene Aerogel for High-Performance Self-Healable Flexible Electronic Skin

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c09933

转自：“i学术i科研”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！