桂林理工大学陆绍荣教授课题组《Nano Lett.》：在柔性可穿戴湿度传感器领域取得重要进展

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近年来，多功能生物传感器作为下一代智能柔性电子的重要组成部分引起了人们的广泛关注。通过将湿度转换为电信号的这类传感器已被广泛应用于智能可穿戴设备、环境监测、电子皮肤和个性化健康监测，极大地推动了柔性电子学的发展。然而，当前大多数报道的柔性湿度传感器主要由聚合物膜制成，其差的吸湿性、灵敏度低、湿强度差、透气性差及制作工艺复杂等问题，限制了其在可穿戴设备中的应用。因此，迫切需要开发一种简单有效的方法来制备一种对湿度敏感性高、湿强度好、耐久性长并且可读的湿度传感器。

图1. 湿敏MC膜的制备:（a）剑麻; (b)接枝后的剑麻纳米纤维素（MSF-g-COOH）,（c）MSF-g-COOH的TEM图像;（d)）MC膜的制备方法;（e）湿敏MC膜的合成;（f）湿度敏感MC膜。

针对提高器件湿强度、湿度敏感性和耐久性，陆绍荣教授团队通过对剑麻纤维素分子结构的设计，引入羧基基团，提高剑麻纤维素的成膜性。同时采用柠檬酸（CA）进行交联，用一个简单的方法制备了可持续的生物膜（MC），该生物膜具有快速的湿度响应、良好的湿强度和耐久性。用该生物膜制作的电阻式湿度传感器在重复干燥-喷水-干燥的过程中表现出良好的湿度传感性能和稳定的电信号输出性能。

图2.（a）MC膜浸泡在不同温度的水中后的承重照片。

在前期工作基础上，由陆绍荣教授带领的研究团队将上述得到的剑麻纳米纤维素（MSF-g-COOH）通过环境友好型的水溶剂加工，得到了可生物降解的呼吸湿度传感器用膜材料。采用CA交联后，MC膜在25°C潮湿环境中的拉伸强度和断裂伸长率明显得到提高。并且MC膜浸泡在不同温度（25°C，45°C，60°C，80°C，96°C）的水环境中都很稳定，其承重性能良好。此外，该团队与湖南大学蔡仁教授团队展开合作，首次通过同步成人在不同运动状态下的呼吸实验以及湿度可读性，共同设计研究发现，MC膜中的CA可以产生额外的离子，显著降低了MC膜传感器在高（相对湿度）RH条件下的电阻。实验结果表明在模拟快速呼吸的实验中MC膜湿度传感器的响应/恢复时间达到了0.8 s/2 s（52−100% RH）。因此基于CA交联后的剑麻纤维素膜在潮湿环境中保持了较好的湿强度和导电性。该工作为湿度传感器在个人健康监测和呼吸诊断分析方面的研究提供了新的思路。

图3. MC膜湿度传感器监测的四种呼吸模式下的实时电阻变化率（ΔI/I0）；（a） 慢呼吸，（b）深呼吸，（c）正常呼吸，（d）是（c）的高倍放大图像，（e）快速呼吸，（f）是（e）的高倍放大图像。

以上相关成果发表在Nano Letters上。论文的第一作者为桂林理工大学材料科学与工程学院博士生张作才，目前在湖南大学蔡仁教授课题组进行联合培养，共同第一作者为湖南大学联合培养硕士生陆天韵，通讯作者为蔡仁教授，共同通讯作者为桂林理工大学陆绍荣教授与墨尔本皇家理工大学杨丹研究员。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c02452

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