华中大刘逆霜团队 ACS Nano：基于压力传感原理的MXene/BC薄膜声音探测器

点击蓝字关注我们

近期，华中科技大学大学刘逆霜副教授团队提出了将基础器件应用于实践的研究理念，制备能够感知微小压力的纸基压力传感器，并研究其在高灵敏度传感领域作为可穿戴声音探测器的应用。相关成果以“Flexible MXene/bacterial cellulose film sound detector based on piezoresistive sensing mechanism”为题发表于ACS Nano。华中科技大学刘逆霜副教授为该论文的通讯作者，论文第一作者为华中科技大学硕士研究生苏拓薏。该工作得到了国家自然科学基金（批准号：51872106、11874025）等的支持。 声音是人类认识世界的直观途径。研究表明：听觉能引发生理反应 (如交感神经调节心率变化，噪音导致健康问题)，而自然声对保持心理健康十分重要(如流水声会增加积极情绪，鸟鸣声能减轻压力)。因此，管理声音信号能够提高人类的健康水平和生活体验。近年来，压力传感设备受到了相关领域研究人员的广泛关注。值得关注的是，紧贴于喉咙皮肤的传感设备能够通过感知肌肉运动带来的压力变化完成对语音的收集和识别；而当能感知微弱压力的传感器暴露于空气中时，声音传递引起的空气压力波能被迅速地探测和转化为相应的电信号。本工作利用真空抽滤获得BC插层的MXene薄膜，以普通纸张为柔性基板，制备可降解的纸基压力传感器，并对其作为声音探测器的应用进行了探索。 
图1 (a)MXene/BC薄膜制备流程图；(b)MXene/BC薄膜压力传感器制备方法；(c)折叠好的BC薄膜和MXene/BC薄膜实物图。
 
图2 (a) Ti₃AlC₂ (MAX相前驱体)的SEM图像；(b)不同浓度的MXene分散液；(c)MXene纳米片的AFM图像； MXene薄膜的(d)拉曼光谱，(e)表面SEM图像，和(f)对应的元素映射图(C、Ti、O、F)和(g)截面SEM图像；(h)MAX相、MXene薄膜、BC薄膜、MXene/BC薄膜的XRD图谱；MXene/BC薄膜的(i)表面和(k)截面SEM图像；(j)MXene薄膜、BC薄膜、MXene/BC薄膜的拉伸应力-应变曲线；(l)压缩-恢复循环时MXene/BC薄膜的压力传感机制和内部微结构变化。 得益于一维BC纤维插层二维MXene纳米片构建的立体式隔离层结构，材料内部具有较多的可变化的导电接触点。因此，制备出的MXene/BC薄膜压力传感器具有优越的传感性能：小压力范围内的高灵敏度(0-0.82 kPa:51.14 kPa^-1)、宽线性检测范围(0-0.82 kPa, 0.82-10.92 kPa)、快速响应/恢复时间(99/93 ms)、良好的稳定性(5000次循环)，并能够对人体运动信号(手指按压/敲击、呼吸/吹气、吞咽/点头/咳嗽)进行监测。作为可穿戴声音探测器时，能通过监测喉部肌肉运动对语言的最小结构单元与声音属性变化进行采集识别；同时，相同语音在发声/不发声时的相似信号为发音障碍问题的解决提供了方法。此外，该传感器能够模拟耳膜，感知声音传递引起的空气压力波，对自然声信号进行探测与分辨。本工作还探索了该器件在声音可视化技术中的潜在应用，通过对古诗朗诵和回旋乐曲声波的探测来实现对声音形态的捕捉和呈现。 
图3 MXene/BC薄膜的压力传感性能
（a）不同压力下的I-V曲线；MXene/BC薄膜压力传感器对具有不同(b)压力值、(f)速度、(g)频率的压缩力的响应；(c)I-T和P-T曲线的高度同步性；(d)传感器的响应/恢复时间(99/93 ms)、(e)灵敏度曲线和(h)长期循环稳定性(5000次压缩-恢复循环)；(i)5000次循环后传感器的灵敏度依然保持在初始值的90%以上。 
图4 (a-c)MXene/BC薄膜压力传感器对人体生理信号的响应；(d-h)MXene/BC薄膜声音探测器对人体语音信号的识别。 
图5 MXene/BC薄膜声音探测器(a-h)对自然声信号的识别以及(i-j)在声音可视化技术中的应用。
 原文链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c03155 

团队工作简介

向上滑动阅览

该工作是团队近期研究的最新进展之一。针对目前压力传感器及集成器件面临的挑战和问题，利用原电池-传感器转换机制的设计，团队开发了一系列自驱动传感器，实现了原电池与传感器的一体化集成创新：制备具有纳米堆叠层状结构的GO膜，研究了水合度对GO膜离子导电性的影响规律，证实了高水合度对GO离子电导率的增强作用以及GO层间的压力可调控性能（Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2108856）；利用泡沫金属的多孔结构和导电性，将其作为水分子进入端的电极，进一步探究水合度对GO膜的调控作用，考察了原电池传感器的自驱动能力和非接触式应用（Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2107330）。最近，通过对新型二维材料MXenes基本性质的探索与梳理，团队进行了一系列相关工作研究（Nano Energy, 2021, 87, 106151; Chem. Eng. J. 2021, 417, 129288; Nanotechnology, 2021, 32, 505509）,并对MXenes材料在可穿戴压力传感领域的研究进展进行了综述（Adv. Mater. 2022, 2110608; APL Mater. 2020, 8, 110702）。

相关进展

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。