南京工业大学董晓臣教授和黄维院士团队提出一种：高拉伸、高灵敏MXene基水凝胶柔性传感器

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南京工业大学董晓臣教授和黄维院士课题组将MXene引入PVA / PVP水凝胶网络，制备了可拉伸的柔性应变传感器，其具有优异的力学性能和传感性能，可以对多种生理活动进行实时监控，以“Highly Stretchable, Elastic and Sensitive MXene-based Hydrogel for Flexible Strain and Pressure Sensors”为题发表在Research上 (Research, 2020, 2038560)。

近年来，电子皮肤因其与人体皮肤相似的拉伸性和传感性能引起人们广泛关注。其中，可以将生理信号转化为电信号的柔性应变传感器，在柔性触摸屏、健康临床监测、工业机器人等方面表现出巨大潜力。但有限的拉伸性能和低灵敏度严重阻碍了它们在柔性应变传感器中的实际应用。

水凝胶是一种包含大量水或离子液体的三维网络，因其出色的可拉伸性、柔韧性和生物相容性而被广泛用于柔性应变传感器。但是，由于交联度有限且粘度较高，单网络水凝胶的机械性能和稳定性相对较差，制备兼具高拉伸性和高灵敏度的柔性可穿戴应力传感器仍面临巨大挑战。

南京工业大学董晓臣教授和黄维院士课题组报道了一种基于MXene-双网络水凝胶的高拉伸、高弹性、高灵敏的多功能柔性传感器。有效能量消散机制的引入，构建的双网络水凝胶大大提高了传感器的机械性能；引入亲水性MXene形成稳定的三维导电网络，大大提高了传感器的传感性能（图1）。

图1 MXene复合双网络水凝胶的合成示意图

MXene纳米片表面大量的官能团（-OH，-F，-O等）可以与高分子链之间形成氢键，从而大幅提高水凝胶的拉伸性和韧性，并进一步提高其机械强度（图2a）；图2（b）表明：MXene纳米片的加入可以构建高度交联的导电网络，显著改善传感器的灵敏度，但过量MXene也会导致GF的降低。因此，双网络水凝胶中MXene的最佳含量为1%左右；图2（c）表明：在0-120％的应变范围内，应变传感器灵敏度随着应变的增加呈现三段式的增加；图2（d-f）表明制备的压力传感器具有灵敏度高(GF = 10.75)、响应速度快和检出限低等特点。

图2 MXene复合双网络水凝胶的力学性能和传感性能

优异的机械性能和传感性能使其可用于识别较宽范围内的人体运动（图（3））,例如膝盖弯曲，呼吸和脉搏跳动。

图3 人体运动信号检测

由于该压力传感器具有灵敏度高、传感范围广、响应时间短、检测限制小等优点，可以应用于微刺激检测和特征压力检测。如图4中的“摩斯密码”、“帕金森震动模拟”和书写笔记的鉴定等。为了使传感器可以用于大规模不均匀压力监测,作者制备了5*5点阵器件，可以有效地显示压力的分布，在人机交互或其他实际应用中显示出巨大的潜力。

图4 压力传感器的应用

作者将二维导电材料MXene加入到PVA/PVP双网络水凝胶中，成功构建了具有优异机械性能的高灵敏MXene复合双网状水凝胶传感器。该传感器可以实现对人体活动的多种生理刺激的实时监控，例如膝盖弯曲、手指弯曲、脉搏跳动、语音、脉冲振动以及健康诊断等，它还可以进一步组装成压力传感器的复杂矩阵，在人机交互、健康诊断和可穿戴电子设备方面具有良好的应用前景。

原文链接：

https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/2038560/

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