可控图案化性能的3D复合气凝胶，用于可穿戴传感器领域

基于二维碳化物和氮化物（MXene）的复合导电气凝胶由于其3D网络微结构和优异的导电性而被广泛研究应用于可穿戴传感器。如何实现精细的图案化修饰，并且兼具导电性和机械柔韧性是当前MXene复合导电气凝胶材料在高分辨传感应用中的难点。

注：MXenes为2D材料家族添加了众多新成员，以金属导体为主，而目前2D材料大多数是电介质、半导体或半金属。通过利用MXenes的可调特性，人们可以使用增材制造或其他涂层和加工技术，从2D纳米片中构建从晶体管到超级电容器、电池、天线和传感器等各种器件。MXenes已经显示出各种电子、光学、化学和机械性能，并且已经提出了MXetronics（全MXene光电子学）的概念。

据麦姆斯咨询报道，近日，浙江大学生物医学工程与仪器科学学院梁波研究员、叶学松教授团队利用铜离子辅助电凝胶化技术制备了具有可控图案化特性的三维多孔Ti3C2Tx MXene/PEDOT:PSS复合气凝胶（MPCA）。该项研究工作以“3D MXene/PEDOT:PSS Composite Aerogel with Controllable Patterning Property for Highly Sensitive Wearable Physical Monitoring and Robotic Tactile Sensing”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。浙江大学博士研究生张珊珊，屠婷婷为论文共同第一作者，梁波研究员和叶学松教授为通讯作者。

通过用该方法制备的复合气凝胶传感器可以用于手指弯折、呼吸、吞咽、咀嚼、说话和肌力信号的可穿戴实时监测，以及机器人触觉中的高分辨率传感应用，使机械手像人类手指一样精确感知盲文（图1）。

图1 Ti3C2Tx MXene/PEDOT:PSS复合气凝胶用于可穿戴式物理监测和机器触觉传感

研究人员首先对MXene/PEDOT:PSS复合气凝胶的制备原理进行了探究。MXene与PEDOT:PSS之间的多重相互作用使MPCA具有稳定的三维导电网络，从而提高了MPCA的机械柔韧性和压阻性能。并且通过控制电凝胶的参数和时间，可以在不同图案化的导电基底上实现复合水凝胶/气凝胶的高精度、高分辨图案化修饰（图2）。

图2 MXene/PEDOT:PSS复合气凝胶的电凝胶化原理和可控修饰

基于MPCA良好的导电性和机械柔性，通过该方法所制备的压阻型压力传感器实现了较高的灵敏度（0-2kPa范围内为26.65kPa⁻¹）、快速响应能力（106ms）和良好的循环稳定性，可以用于手指弯折、呼吸、吞咽、咀嚼、说话和肌力信号的实时监测（图3）。

图3 基于复合气凝胶的压力传感器对人体不同物理信号的实时监测

最后，利用电凝胶化制备方法的可控图案化特性，在1cm x 1cm平面内成功制备了6 x 6的高分辨率的压力传感器微阵列，以用于人工触觉界面。该阵列可以覆盖在机器人指尖上，直接识别来自人类手指的触觉刺激，并且通过绘制压力分布图可以直观的显示出手指触碰时力的大小和位置，还可以使机械手像人类手指一样实现对盲文字母的精确识别（图4）。

图4 基于复合气凝胶的传感器阵列用于机器触觉传感

该项研究所提出的基于电凝胶法制备的MXene/PEDOT:PSS复合气凝胶具有显著的综合性能，特别是高灵敏度的传感性能和可控的图案化性能，为导电水凝胶/气凝胶材料在可穿戴电子领域的微型化应用提供了新的方法。

 

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