深圳大学周晔研究员、韩素婷副教授《AFM》：用于触觉传感器的多层MOF混合阵列

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柔性可穿戴压力传感器具有良好的便携性、可折叠性，在电子皮肤、触觉感知和健康监测等领域具有广阔的应用前景。将功能纳米材料合理的利用可以制造出高性能的压力传感器。然而，在预制的复杂表面上沉积功能材料可能会改变原有的表面结构，也可能导致沉积不均匀。

近年来，导电金属−有机骨架（MOF）作为活性材料，为电子器件的应用提供了广阔的前景。MOF的定位技术使得制造新型微结构成为可能，这种微结构具有调节材料的形貌并调节目标应用的性能。目前，在不同模板上直接生长MOF阵列在催化裂水、太阳能热水生产、化学电阻传感器、超疏水等领域得到了广泛的研究。这些MOF混合阵列具有预先设计的3D分层定向结构，可以有效地阻止纳米粒子的聚集，提高导电性。

近期，深圳大学高等研究院的周晔研究员＆韩素婷副教授团队采用模板法在铜网（MHA@Mesh）上合成了用于柔性传感器的具有多层结构的MOF混合阵列（MHA@Mesh）。有限元分析结果表明，三维多层MHA@MHA网格可以模拟人体皮肤的微/纳米尺度结构，从而实现互锁接触。基于MHA@Mesh的柔性传感器具有响应速度快（<1 ms）和高灵敏度（高达307 kPa−1）的特点，是基于MHA@箔片的传感器（15 kPa⁻¹）的20倍。该柔性压力装置可用于监测手指运动和人体脉搏。此外，通过将MOFs硬件传感器与机器学习算法相结合，可以执行音乐识别。总体而言，这种三维多层微阵列结构的设计理念在可穿戴技术和人机界面领域显示出极佳的潜力。

图1 所提出的开孔网状结构且优于平面。a）具有棘突结构的人体皮肤横截面，负责触觉信号放大；b）网状结构仿生压力传感器；c）外压作用下网格结构超弹性膜变形有限元分析的二维断面图；d）网状和粗糙平面上超弹性薄膜在相同压力下变形的比较

图2 铜网上MOF混合阵列（MHA）三维分层结构的合成与表征。a）MHA网目合成工艺示意图；b、c）不同倍率铜网上MHA的SEM；d）具有Cu（OH）₂@Cu₃（HHTP）₂核-鞘结构的单一MOF杂化微棒的TEM；e）铜网MHA断口的SEM-EDX分析表明，铜丝完全被MHA包裹；f）实验MHA@Cu(红色)、Cu（OH）₂@Cu(黑色)、模拟Cu（橙色）和模拟Cu（OH）₂（蓝色）的X射线衍射图谱

图3 MHA-10@网状传感器的基本传感评价

图4 a）基于MHA传感器的声波探测原理图；b）不同音量的古典音乐片段的电流响应；c）三个古典音乐片段的当前反应；d）音乐识别的数据转换和单层感知器（SLP）模型示意图；e）三个音乐片段的音乐识别准确率

以上研究以“Template‐Directed Growth of Hierarchical MOF Hybrid Arrays for Tactile Sensor”为题，发表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202001296）上。第一作者为深圳大学高等研究院的周奎副研究员，通讯作者为深圳大学高等研究院的周晔研究员＆韩素婷副教授。

原文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202001296

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