導電水凝膠在柔性傳感器領域顯示出良好的應用前景，但其往往存在機械性能差、靈敏度低、缺乏抗凍性等問題。在此，作者報告了一種堅韌、高靈敏度和防凍應變傳感器，該傳感器由雙交聯聚丙烯酰胺和聚乙烯醇（PVA）網絡組成的導電有機水凝膠，以及作為納米填料的MXene納米片和作為主要導電組分的聚（3，4-亞乙基二氧噻吩）摻雜的聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT/PSS）組裝而成（PPMP-OH有機水凝膠）。由于 MXene 納米片的機械增強以及有機水凝膠中形成的各種強非共價相互作用，MXene 納米片大大提高了 PPMP-OH 的拉伸強度和韌性。 PPM1P-OH有機水凝膠在772%時的拉伸強度為1.48 MPa，韌性為5.59 MJ/m
3。此外，PEDOT/PSS 顯著提高了 PPMP-OH 的電導率和應變傳感性能，PEDOT/PSS 可以與 PVA 形成氫鍵，并與 MXene 形成靜電相互作用。這對于構建均勻分布且穩定的3D導電網絡非常有利于獲得PPMP-OH的應變依賴性電阻。由PPMP1-OH組裝而成的應變傳感器具有5.16的高靈敏度、高達500%的可檢測應變范圍和122 ms的短響應時間，能夠有效地檢測人體的各種生理活動，并且穩定性高。此外，相應的壓力傳感器陣列在識別壓力大小和位置方面也表現出高靈敏度。
Fig 1. (a) 超薄 Ti3C2 納米片的制備示意圖。 (b) PPMPOH有機水凝膠的制備過程示意圖。 (c) Ti3AlC2 MAX 和 Ti3C2Tx MXene 的 XRD 圖案。 (d) 分層 MXene 納米片的 TEM 圖像。 (e) PAM、PAM-PVA、PPM 和 PPMP 水凝膠的 FTIR 光譜。 (f) 凍干 PPMP 水凝膠的截面 SEM 圖像和 EDS 光譜。
Fig 2. (a) PPMP-OH 有機水凝膠的照片：(i) 初始狀態，(ii) 拉伸，(iii) 扭曲，(iv) 打結后拉伸。 PPMP-OH 有機水凝膠承受金屬圓柱體 (v) 和剪刀 (vi) 的壓力。 (vii) 200克重物可以輕松舉起。 (b) 不同組成的水凝膠或有機水凝膠的拉伸應力-應變曲線。具有不同 PVA (c) 和 MXene (d) 含量的 PPMP-OH 有機水凝膠的拉伸應力-應變曲線。 (e) 不同MXene含量的PPMP-OH有機水凝膠的彈性模量和韌性。
Fig 3. (a) 不同應變下 PPM1P-OH 有機水凝膠的連續加載-卸載。 (b) 五個加載-卸載循環，兩次連續測試之間沒有休息間隔。 (c) 具有不同休息時間的 300% 應變的拉伸循環應力-應變曲線。 (d) (c) 中每個循環的最大應力和耗散能量。 (e) 100% 拉伸應變下 100 個循環。 (f) (e) 中循環的最大應力和耗散能量。
Fig 4. (a) PPMP 水凝膠和 PPMP-OH 有機水凝膠在 -20 °C 冷凍 12 小時后的數碼照片。 (b) 冷凍 PPMP-OH 有機水凝膠和 LED 燈串聯的電路。 (i) 正常狀態。 (ii) 拉伸狀態。 (c) 正常和冷凍 PPMP-OH 有機水凝膠的典型應力應變曲線。不同溶劑交換時間下 PPMP-OH 有機水凝膠的應力應變曲線 (d) 和電導率 (e)。 (f) PPMP水凝膠和PPMP-OH有機水凝膠在室溫下儲存7天的相對重量變化。
Fig 5. (a) 不同PEDOT/PSS含量的PPMP-OH的電導率。 (b) 不同 MXene 含量的 PPMP-OH 的電導率。有機水凝膠的應變傳感性能。 (c) PPMP-OH 有機水凝膠的 ΔR/R0 隨拉伸應變的變化。 PEDOT/PSS含量分別為0 (d)、0.5 (e)和2 mL (f)的PPMP-OH有機水凝膠的傳感特性 (g) PPMP-OH應變傳感器在拉伸下的變形機制。
Fig 6. (a) PPMP 水凝膠在 30% 應變下的響應時間和恢復時間。 (b) PPM-OH水凝膠柔性應變傳感器在不同應變下的相對電阻變化。不同拉伸速率下ΔR/R0的變化[部分(c)和不同應變(d)]。 (e) 逐步伸長和釋放過程中ΔR/R0隨時間的變化。 (f) 50%應變下重復加載-卸載過程400個循環下的ΔR/R0響應。 （g）我們的PPMP-OH有機水凝膠與其他報道的水凝膠或有機水凝膠之間的綜合性能比較。
Fig 7. (a) PPMP-OH基壓力傳感器在不同壓力下的相對電阻變化。 (b) 壓力傳感器在不同壓力下重復3次的相對電阻變化。 (c) 10% 壓縮下 300 個加載-卸載循環。 (d) PPMP-OH壓力傳感器在壓力下的變形機制。
Fig 8. PPMP-OH 應變傳感器在監測人體運動和壓力方面的性能。 (a) 食指彎曲和伸直不同角度的ΔR/R0信號。手指彎曲（b）、握拳動作（c）、手腕彎曲（d）和行走（e）等人體關節運動的反應，以及頭部運動（f）和咳嗽（g）分別引起的頸部肌肉運動。壓力傳感器響應手指敲擊 (h) 和 10 g 重量 (i) 的壓力的 ΔR/R0 比率。
Fig 9. (a) 4 × 5 單元傳感器陣列上 50 g 重物的照片和 (b,c) 相應的壓力分布。 (d) 手指按壓和相對電阻變化 (e,f)。 (g) 手掌按壓和相對阻力變化 (h,i)。來自傳感響應的 (b,e,h) 2D 映射和 (c,f,i) 3D 映射。
相關研究工作由浙江理工大學Lie Wang和Sanqing Huang課題組由于2024年在線發表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊上，ough and Strain-Sensitive Organohydrogels Based on MXene and PEDOT/PSS and Their Effects on Mechanical Properties and Strain-Sensing Performance，原文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acsami.3c18631
轉自《石墨烯研究》公眾號
