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太原理工大學Min Zhao,Weiyi Chen, Xiaona Li, Zhipeng Gao等--雙網(wǎng)絡水凝膠通過動態(tài)氫鍵限制 MXene/液態(tài)金屬,用于高性能可穿戴傳感器
       雙網(wǎng)絡 (DN) 水凝膠集成了長鏈和短鏈分子結構,由于其出色的機械性能,在可穿戴傳感器中表現(xiàn)出巨大的潛力。然而,傳統(tǒng)的水凝膠往往存在導電性差和靈敏度低的問題。在本研究中,我們開發(fā)了一種新型 DN 水凝膠(由聚丙烯酰胺/海藻酸鈉組成),它封裝了 MXene (Ti3C2Tx) 和液態(tài)金屬 (LM)。這種配置利用了嵌入在 DN 水凝膠網(wǎng)絡中的二維 MXene 和零維液態(tài)金屬的導電性能。Ti3C2Tx MXene 薄片通過充當導電橋來增強與 LM 的結合能力,從而改善界面相互作用并減少滯后。由這種復合 DN 水凝膠制成的應變傳感器具有高靈敏度(應變系數(shù)高達 12.84)、寬檢測范圍(0/%-1500/%)、快速響應時間(262/ms)以及出色的重復性和穩(wěn)定性。我們將這種應變傳感器集成到可穿戴柔性設備中,例如隱形眼鏡,從而能夠實時監(jiān)測人體生理壓力。
 
 
圖 1. PSML水凝膠傳感器的結構和表征。(A)PSML水凝膠傳感器的應用。(B)鱘魚的捕食方式。(C)PSML水凝膠的結構。(D)PSML水凝膠的制備過程。(E)MXene的TEM表征。(F)LM和MXene的TEM表征。(G)LM和PAC的TEM表征。(H)PSML水凝膠的掃描電子顯微鏡(SEM)。(I)PSML水凝膠和PAM/SA-Ca水凝膠的XRD表征。(J)PSML水凝膠和PAM/SA-Ca水凝膠的傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)表征。(K)PSML水凝膠和PAM/SA-Ca水凝膠的拉曼光譜表征。
 
 
圖 2. PSML 水凝膠的機械性能測試。(A)PAM/SA-Ca、PSM 和 PSML 水凝膠的拉伸性能比較。(B)PAM/SA-Ca、PSM 和 PSML 水凝膠的韌性和彈性模量。(C)PSML 水凝膠在 100%-400% 拉伸應變下的恢復率。(D)PSML 水凝膠在 100% 拉伸應變下的 10 次循環(huán)。(E)PAM/SA-Ca、PSM 和 PSML 水凝膠的壓縮性能。(F)PSML 水凝膠在 20%-80% 應變下的機械性能。
 
 
圖3. PSML水凝膠的電性能測試。(A)100%拉伸應力下PAM/SA-Ca、PSM和PSML水凝膠的電阻變化率。(B)、(C)20%-400%拉伸應力下PSML水凝膠的電阻變化率。(D)不同頻率下PSML水凝膠的電阻變化率。(E)PSML水凝膠的響應時間。(F)PSML水凝膠的靈敏度-應變圖。(G)500次循環(huán)后PSML水凝膠的電阻變化。(H)與其他文獻的拉伸性能和靈敏度的比較。
 
 
圖 4. PSML 水凝膠的應用。PSML 水凝膠傳感器放置在 (A) 手指、(B) 手腕、(C) 肘部,用于人體運動測量。(D) 描繪了無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。(E) PSML 水凝膠作為帶有傳感單元的隱形眼鏡。(F) (H) 中所示測試的示意圖。(G) PSML 水凝膠作為帶有傳感單元的隱形眼鏡,放置在隔離眼球上進行性能測試。
 
 
 
圖 5. PSML應變傳感器的傳感機理。(A)PSML水凝膠拉伸過程中MXene與LM之間的位置關系變化及相應的電阻變化。(B)PSML水凝膠壓縮過程中的變化及相應的電阻變化。(C)LM與MXene之間的距離變化與電子遷移之間的關系。
 
       相關科研成果由太原理工大學Min Zhao,Weiyi Chen, Xiaona Li, Zhipeng Gao等人于2024年發(fā)表在Chemical Engineering Journal(https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156884)上。原文:Double network hydrogel confined MXene/Liquid metal by dynamic hydrogen bond for high-performance wearable sensors
原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156884

轉自《石墨烯研究》公眾號
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