超高压缩弹性生物质聚合物@MXene气凝胶

【背景介绍】
     可压缩、具有弹性的碳气凝胶（CECA）可以组装到压阻传感器中，传感器将外部压力或应变转换为电流信号，因为其在人机界面、生物医学监测和运动检测中的应用而引起了极大的关注。但是，如果不进行微结构工程设计，这些CECA可能会表现出非线性灵敏度和并不令人满意的机械性能。因此，对于压力或应变传感器区分细微变化所必需的高灵敏度，仍是当前CECA的巨大挑战。

【成果简介】
      近日，华南理工大学钟林新副教授和彭新文教授课题组合作，报道了通过聚合物（壳聚糖）将Ti3C2纳米片连接成连续且有序的薄片而制成的轻质、可压缩、导电的气凝胶。由于连接作用，薄片是柔性的、高度可压缩并且结构稳定。这些性质使气凝胶能够承受极高的应变（99％），长期压缩（高达15万次循环）和反复弯曲。此外，由于独特的层状结构，气凝胶显示出超高的灵敏度（80.4 kPa-1）和异常宽的线性范围（在0.5–70％的应变范围内）。该成果在线发表于Journal of Materials Chemistry A：Biomass polymer-assisted fabrication of aerogels from MXenes with ultrahigh compression elasticity and pressure sensitivity。

【图文导读】

图1：（a）制作MXene和CSx / MXene-C气凝胶的示意图。（b）AAO模板上MXene的SEM图像。（c）MXene的TEM图像。（d）MXene的放大TEM图像。（e）MXene的选择区域电子衍射（SAED）模式。

图2  （a–d）分别为MXene-C、CS1 / MXene-C、CS5 / MXene-C和CS10 / MXene-C的可压缩性和弹性。（e）分别为MXene-C和CSx / MXene-C的弹性机制。（f–h）分别为CS10 /MXene-C、CS5 / MXene-C和CS1 / MXene-C的应力应变图。

图3  CS5 / MXene-C的超强压缩性、弹性和抗疲劳性。（a）不同压缩应变下10个循环的应力-应变图。插图显示出极高的可压缩性（99％）和弹性。（b）在50％应变下，长达15万次循环的应力-应变图。插图显示了CS5 /MXene-C在循环压缩测试之前和之后的图像。（c）在50％应变下的15万次压缩循环内的高度保持能力，并与其他可压缩材料进行比较。（d）CS5 / MXene-C分别在5000次循环、10000次循环和150000次循环后的SEM图像。（e）说明了通过在不同方向施加应力来压缩CS5 / MXene-C的过程。（f–h）分别从顶部、侧面和正面方向的压缩应力-应变图。

图4 CS5 / MXene-C的应变/压力响应和灵敏度。（a）不同压缩应变下的实时电流。（b）响应时间和恢复时间。（c）压力在100 Pa至2000 Pa范围内的电流变化。（d）在0–5 kPa的宽压力范围内具有超高的线性灵敏度。（e）CS5 / MXene-C与其他传感材料的灵敏度比较。（f）电阻与水滴的关系。（g）CS5 / MXene-C的压力检测极限与其他传感材料的压力极限的比较。（h）0–10 Pa时的线性灵敏度。（i）实时电流与弯曲角度的关系。

图5  CS5 / MXene-C传感器用于检测生物信号。（a–h）分别由不同手指的弯曲、不同的弯曲程度、手腕和脚后跟弯曲、面部表情、喝水、说话和脉搏产生的电流。
 
【本文总结】
    通过将MXene片与CS衍生的碳纤维相连接，可以成功制造出轻质的层状气凝胶。与目前的碳基压力感测材料相比，基于MXene的CECA具有以下优势：1、具有定向和波状碳层的层状结构。2、气凝胶具有稳定的层状结构，具有连续且灵活的波浪状碳层，这导致极高的可压缩性（99％应变），超弹性（15万次压缩循环）和反复弯曲。由于波状层之间的可压缩空间大且具有稳定的层状结构，因此它具有超高的灵敏度，并且对压力和应变的检测极限非常低。这些优势使气凝胶成为压力/应变传感器和可穿戴设备的有前途的候选者。

文献链接：
DOI: 10.1039/c9ta01448a