黄维院士、 朱纪欣教授团队ACS AMI：用于可穿戴智能传感器的超灵敏且鲁棒性碳杂化纤维

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一、文章概述

随着对可穿戴电子产品、电子织物和生物医学设备需求的日益增长，从而引发了学术界对高性能柔性传感器的研究。与传统的基于薄膜的二维（2D）传感器相比，基于纤维的一维（1D）传感器具有许多独特的优点，例如良好的拉伸性、优异的透气性、重量轻和小型化，可以编织成各种织物中，以适应各种变形，从而提高穿戴舒适性。然而，使用石墨烯-碳纳米管复合纤维制成的柔性传感器尚未有人研究。考虑到对高性能碳基柔性传感器的巨大需求，特别是在监测微小变形方面，因此，开发具有合理结构的敏感石墨烯-碳纳米管复合纤维仍然是一个挑战。

近日，南京工业大学先进材料研究院黄维院士、朱纪欣教授和林惠娟副研究员研究团队报道了一种制备高灵敏度碳杂化纤维（CHF）柔性传感器的简易方法，该纤维由石墨烯纤维骨架和碳纳米管分支组成。在这种分级纤维中，原位生长的碳纳米管抑制了石墨烯片的堆叠，同时桥接石墨烯层，使得混合纤维蓬松且导电。由于良好的设计架构，组装的纤维传感器表现出极佳的性能，具有高应变灵敏度因数GF（高达1127）、快速响应时间（小于70 ms）以及出色的可靠性和稳定性（>2000次循环）。该工作为超灵敏纤维传感器的制备提供了一条可行的、可扩展的途径，实现了对人体生理信号的全面监测，构建了实时人机控制系统。此外，这种实用型传感器可用于监测坐姿来预防颈椎病和腰间盘突出。

二、图文导读

如图1所示，CHF的合成工艺包括湿法纺丝和化学气相沉积两个主要步骤。在碳纳米管原位生长之后，CHF显示出一个粗糙且褶皱的表面，其直径为～50 μm（图1b）。用更高的放大倍数，可以在纤维表面清楚地观察到碳纳米管，如图1c。这些碳纳米管显示出100-200 nm的直径，镍金属纳米粒子嵌入在纳米管的尖端（图1d）。横截面图像揭示了CHF的内部结构。与带有堆叠片的纯石墨烯纤维不同，CHF是蓬松的，带有大量空隙（图1e）。放大倍数更高的FE-SEM图像表明，由于大量碳纳米管分布在夹层中，石墨烯片中没有紧密堆积（图1f），这使得纤维具有松散的结构。值得注意的是，内部碳纳米管的长度（图1f）比外部碳纳米管的长度（图1c）短，这是由于在化学气相沉积过程中石墨烯片的层间限制以及纤维体中缺乏碳-氮。

图1：（a）CHF的制造工艺示意图。CHF的表征：

（b-d）FE-SEM图像。

（e-g）横截面FE-SEM图像。

（h）用能谱仪绘制的元素分布图，表示碳、氧、氮和镍的分布。

（i）镍纳米粒子嵌入碳纳米管的TEM图像。

（j，k）合成镍金属纳米粒子和碳纳米管的HR-TEM图像。

图2：单个CHF的性能。

图3：组装成的多个CHF传感器。

图4：CHF-1传感器在检测生理信号和振动方面的实际应用。

图5：CHF-5传感器用于监测坐姿以预防颈椎病和腰椎间盘突出症。

原文链接
https://doi.org/10.1021/acsami.1c03615

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