基于二維碳化物和氮化物（MXene）的復(fù)合導(dǎo)電氣凝膠由于其3D網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的導(dǎo)電性而被廣泛研究應(yīng)用于可穿戴傳感器。如何實(shí)現(xiàn)精細(xì)的圖案化修飾，并且兼具導(dǎo)電性和機(jī)械柔韌性是當(dāng)前MXene復(fù)合導(dǎo)電氣凝膠材料在高分辨?zhèn)鞲袘?yīng)用中的難點(diǎn)。

注：MXenes為2D材料家族添加了眾多新成員，以金屬導(dǎo)體為主，而目前2D材料大多數(shù)是電介質(zhì)、半導(dǎo)體或半金屬。通過利用MXenes的可調(diào)特性，人們可以使用增材制造或其他涂層和加工技術(shù)，從2D納米片中構(gòu)建從晶體管到超級(jí)電容器、電池、天線和傳感器等各種器件。MXenes已經(jīng)顯示出各種電子、光學(xué)、化學(xué)和機(jī)械性能，并且已經(jīng)提出了MXetronics（全MXene光電子學(xué)）的概念。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院梁波研究員、葉學(xué)松教授團(tuán)隊(duì)利用銅離子輔助電凝膠化技術(shù)制備了具有可控圖案化特性的三維多孔Ti3C2Tx MXene/PEDOT:PSS復(fù)合氣凝膠（MPCA）。該項(xiàng)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”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。浙江大學(xué)博士研究生張珊珊，屠婷婷為論文共同第一作者，梁波研究員和葉學(xué)松教授為通訊作者。

通過用該方法制備的復(fù)合氣凝膠傳感器可以用于手指彎折、呼吸、吞咽、咀嚼、說話和肌力信號(hào)的可穿戴實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及機(jī)器人觸覺中的高分辨率傳感應(yīng)用，使機(jī)械手像人類手指一樣精確感知盲文（圖1）。

圖1 Ti3C2TxMXene/PEDOT:PSS復(fù)合氣凝膠用于可穿戴式物理監(jiān)測(cè)和機(jī)器觸覺傳感

研究人員首先對(duì)MXene/PEDOT:PSS復(fù)合氣凝膠的制備原理進(jìn)行了探究。MXene與PEDOT:PSS之間的多重相互作用使MPCA具有穩(wěn)定的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而提高了MPCA的機(jī)械柔韌性和壓阻性能。并且通過控制電凝膠的參數(shù)和時(shí)間，可以在不同圖案化的導(dǎo)電基底上實(shí)現(xiàn)復(fù)合水凝膠/氣凝膠的高精度、高分辨圖案化修飾（圖2）。

圖2 MXene/PEDOT:PSS復(fù)合氣凝膠的電凝膠化原理和可控修飾

基于MPCA良好的導(dǎo)電性和機(jī)械柔性，通過該方法所制備的壓阻型壓力傳感器實(shí)現(xiàn)了較高的靈敏度（0-2kPa范圍內(nèi)為26.65kPa?1）、快速響應(yīng)能力（106ms）和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，可以用于手指彎折、呼吸、吞咽、咀嚼、說話和肌力信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（圖3）。

圖3 基于復(fù)合氣凝膠的壓力傳感器對(duì)人體不同物理信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

最后，利用電凝膠化制備方法的可控圖案化特性，在1cm x 1cm平面內(nèi)成功制備了6 x 6的高分辨率的壓力傳感器微陣列，以用于人工觸覺界面。該陣列可以覆蓋在機(jī)器人指尖上，直接識(shí)別來自人類手指的觸覺刺激，并且通過繪制壓力分布圖可以直觀的顯示出手指觸碰時(shí)力的大小和位置，還可以使機(jī)械手像人類手指一樣實(shí)現(xiàn)對(duì)盲文字母的精確識(shí)別（圖4）。

圖4 基于復(fù)合氣凝膠的傳感器陣列用于機(jī)器觸覺傳感

該項(xiàng)研究所提出的基于電凝膠法制備的MXene/PEDOT:PSS復(fù)合氣凝膠具有顯著的綜合性能，特別是高靈敏度的傳感性能和可控的圖案化性能，為導(dǎo)電水凝膠/氣凝膠材料在可穿戴電子領(lǐng)域的微型化應(yīng)用提供了新的方法。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsami.2c03350

審核編輯 ：李倩