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
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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
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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
斯德哥尔摩大学张淼研究员/袁家寅教授 Angew:界面亲疏水性可调的聚离子液体/MXene分离膜
阿德莱德大学乔世璋教授 Angew:MXene类似物 - 二维氮烯固溶体用于高效电催化析氢
广西大学邓承浩课题组《ACS AMI》:用于超柔韧压力传感器的多层MXene/芳纶复合膜
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