實時檢測不同的生理特征對于人類的身心健康至關重要。一種具有多模態傳感能力、高靈敏度、優異的機械性能和環境穩定性的檢測系統是非常理想的，但這仍然是一個巨大的挑戰。受生物組織結構梯度的啟發，本研究制備了一種基于羧基苯乙烯丁二烯橡膠（XSBR）和聚丙烯酸鈉（PAANa）非共價修飾MXenes的多功能傳感器，其中MXenes呈現梯度分布，同時形成梯度分布。通過與 PAANa 形成氫鍵相互作用，在基質底部定向排列。該材料具有 244% 的可觀拉伸性和 7.67 MPa 的強度、55.40 S m−1 的高電導率、2.48 wt% 的低滲透閾值以及對應變（98% 應變內應變系數為 906.7）和濕度的出色響應（11-93% 相對濕度內相對電阻變化為 530%）。基于XSBR/PAANa/MXene復合材料的優越性能，設計了集成檢測系統，可以準確檢測各種尺度的呼吸和身體運動。這項工作為開發用于傳感器應用的新型仿生功能材料提供了新的視角。
圖1. a) XSBR/PAANa/MXene 復合材料的示意圖和功能梯度結構。 b) 系統級框圖，顯示信號處理和傳輸到 OLED 屏幕和手機的情況。 c) 通過手機進行實時人體運動監測和分析。
圖2. a) 具有兩個不同表面的 XSBR/PAANa/MXene 復合材料的照片：XSBR/PAANa 表面和 MXene/PAANa 表面。 b) XSBR/PAANa/MXene 復合材料的功能梯度結構示意圖。 c) XSBR/PAANa/MXene 復合材料的 EDS 圖像。 d) XSBR/PAANa 表面和 MXene/PAANa 表面的 XPS 調查掃描光譜。 e) PAANa、MXene、XSBR 富集層和 MXene 富集層的 XRD 圖案。 f–i) 富含 XSBR 層和富含 MXene 層的 TEM 圖像。
圖3. a) 具有不同 MXene 含量的 XSBR/PAANa/MXene 復合材料的 MXene/PAANa 表面的 FTIR 光譜。 XSBR/PAANa 表面和 MXene/PAANa 表面的 b) O 1s 和 c) C 1s 的 XPS 譜。 d) XSBR/PAANa/MXene 復合材料的溶脹比。 e) 當薄膜平面平行于 X 射線束時，具有不同入射角的 XSBR/PAANa/MXene 復合材料的 SAXS 圖。 f) 典型的應變-應力曲線，g) XSBR/PAANa/MXene 復合材料的機械性能。
圖4. a) 具有不同 MXene 納米片含量的 XSBR/PAANa/MXene 復合材料的電導率以及電導率與 (φ–φc) 的對數圖。 b) XSBR/PAANa/MXene-6 相對于施加應變的典型相對電阻變化。 c) XSBR/PAANa/MXene-6 在不同應用菌株下隨時間變化的相對電阻變化。 d) XSBR/PAANa/MXene 復合材料的 GF 和電導率與報告的 FCE 的比較。 e) XSBR/ PAANa/MXene-6 在 60% 應變下 23 500 s 期間的相對電阻變化。 f–h) XSBR/PAANa/MXene-6 拉伸過程中網絡變化的示意圖。
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圖5. a) MXene 質量分數為 4、6、8 和 10 wt% 的 XSBR/PAANa/MXene 復合材料的標準化相對電阻變化，作為相對濕度從 11% 增加到 93% 的函數。 b) 復合膜在22%~75%RH下的實時電阻變化曲線。 c)濕度傳感器在33%、54%和68%RH下的穩定性測試。 d) XSBR/PAANa/MXene 復合薄膜厚度變化機制示意圖。 e) XSBR/PAANa/MXene 復合材料在 33% 和 75% RH 下的 AFM 圖像。 f–h) 對指尖上的輕微濕氣和吹氣有敏感反應
圖6. a) 應變傳感器制備過程。 b) 佩戴者說出“a”、“b”、“c”、“傳感器”或“橡膠”時的發聲。 c-f) 相對阻力隨著手指、腰、肘、膝的彎曲而變化。
相關科研成果由廣西大學Chuanhui Xu等人等人于2024年發表在Advanced Functional Materials（https://doi.org/10.1002/adfm.202400789）上。原文：A High-Sensitive Rubber-Based Sensor with Integrated Strain and Humidity Responses Enabled by Bionic Gradient Structure
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202400789
轉自《石墨烯研究》公眾號
