南开大学梁嘉杰教授/陈永胜教授《Nat. Commun.》：压力传感MXene气凝胶实现灵敏度和检测限重大突破

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灵敏度与检测限是压力传感器中的关键传感性能参数。同时具备高灵敏度和低检测限的可穿戴压力传感器能够精准感应和监测微弱的力学信号，在智能应用中具有重要应用前景。但受材料构效关系制约，传统压力传感材料难以同时实现超低压力检测限和超高灵敏度，因此急需新的材料设计思路以实现传感材料性能突破。

近期，南开大学梁嘉杰教授和陈永胜教授团队合作，利用过渡金属碳化物MXene与bottlebrush-like超柔性聚硅氧烷进行插层组装，制备具有多级层状孔壁结构的压力传感气凝胶材料（图1）。由于bottlebrush-like聚硅氧烷的引入，使得MXene气凝胶材料的微孔壁内部形成具有可压缩性的多层纳米孔道结构；结合具有大长径比的柔性微孔壁结构，该复合气凝胶具有超低模量（140 Pa@10 mg/cm³），可对很微弱的压力刺激产生快速响应性。同时，多层纳米孔道结构收缩时通过隧穿效应可产生大量的导电通路变化。因此，该压力传感气凝胶材料可以检测到最低0.0063 Pa压力信号，在0-0.02 Pa超低压力范围内的灵敏度超过1900 kPa^-1；且具有优异的传感稳定性，经过一万次压缩循环后，灵敏度仍能保持1800 kPa^-1以上（图2）。优异的压力传感特性使得气凝胶传感器件和阵列能够以非侵入性的方式准确监测到非常微弱的人体颈内静脉搏动的脉冲信号，监测蚊子（~ 1.75 mg）的降落和起飞信号，以及检测到头发（~ 0.21 mg）的压力分布（图3）。这种新材料的制备将为开发能精确检测到超弱力学信号所需的超灵敏传感器提供一个新的设计思路。该工作以“Pushing detectability and sensitivity for subtle force to new limits with shrinkable nanochannel structured aerogel”为题发表在《Nature Communications》上（Nat. Commun. 2022, 13, 1119.）。文章第一作者是南开大学史鑫磊博士。

图1 MXene复合气凝胶材料的可收缩纳米通道结构

图2 MXene复合气凝胶的压力传感性能

图3 MXene复合气凝胶压力传感器的应用

该工作是梁嘉杰团队近年来在多功能纳米复合材料的制备与柔性电子皮肤的构筑的研究中取得了新进展之一。设计高性能触觉传感材料，发展高灵敏传感机制，实现高效的柔性传感器件构筑，是柔性电子皮肤领域发展面临的重要挑战。针对此，团队基于高分子流变学Doi-Edwards理论，发展一系列可印刷高分子纳米传感复合材料，通过先进印刷打印技术构建可穿戴传感和功能器件整列（Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1804479；Adv. Energy. Mater. 2019, 9, 1803987；Adv. Energy. Mater. 2020, 10, 1903794；Adv. Mater. 2018, 30, 1804165）。此外，团队提出了多重界面与多级结构协同策略，发展了一系列高性能的高分子纳米复合传感材料，实现了应变、压力、温度等触觉传感性能的在灵敏度、检测限、检测精度、以及使用寿命上的重要突破（ACS Nano 2019, 13, 649; Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1800850; Mater. Hori. 2021, 8, 250；ACS Nano 2019, 13, 8124）。团队还深入探索了触觉传感机理，提出“电子-热电子”传感机制，制备了双响应纳米复合材料，实现对“应变-温度”双重触觉独立响应性（Nano Lett. 2020, 20, 6176）。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28760-4

梁嘉杰博士简介

梁嘉杰，南开大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。2011年博士毕业于南开大学高分子研究所；随后加入美国加州大学洛杉矶分校从事博士后研究工作；2014年加入美国Polyradiant公司（高级研发工程师）；2016年加入南开大学材料科学与工程学院开展独立工作，建立柔性印刷功能器件实验室。梁嘉杰教授一直致力于研究高分子纳米复合材料及其在柔性印刷功能器件的构建和集成中的应用。研究领域涵盖高分子化学与物理、材料科学与工程、化学、电子工程学以及物理学等众多交叉学科。近年来发表论文40多篇，包括Nature Photonics, Nature Communications, Matter, Advanced Materials, Nano Letters等国际著名期刊杂志，其中8篇入选ESI Top 1%高被引论文，论文他引8800多次。入选国家级青年人才项目，天津市中青年科技创新领军人才，并获天津市杰出青年基金。

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