MXenes水凝胶传感器性能达到新极限

【研究背景】

水凝胶是一类有趣的粘弹性材料，由亲水性聚合物的三维（3D）网络组成，这些网络通过化学或物理方式交联，具有吸收和保留大量水的能力。导电水凝胶是一类有前景的材料，可用于可穿戴电子设备、机器人和假肢等应用。这些应用要求传感器具有高灵敏度、可伸缩性、并易于粘附到任意复杂的表面，例如人体皮肤。然而，基于水凝胶的机电传感器通常表现出相对低的灵敏度，并且作为粘弹性材料，其对外力的机电响应会传递不稳定的噪声，这些噪声会由于非预期的粘性变形而产生磁滞和波动。因此，需要有效途径改善上述问题。

【成果简介】

最近，阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef教授课题组在国际知名学术期刊Science advances上发表一篇题目为：MXenes stretch hydrogel sensor performance to new limits的研究论文，该研究证明了掺入MXene(Ti₃C₂T_x) 的水凝胶复合材料的性能优于所有报道的应变传感器水凝胶。所获得的复合水凝胶[基于MXene的水凝胶（M-水凝胶）]显示出优异的拉伸应变敏感性，GF为25，是原始水凝胶的10倍。此外，M-水凝胶显示出超过3400％的卓越拉伸性、瞬时自修复能力、优异的顺应性以及对包括人体皮肤在内的各种表面的粘附性。M-水凝胶复合材料在压缩应变（GF为80）下表现出比在拉伸应变下更高的灵敏度。

【图文导读】

图1. M-水凝胶的表征。

图2. M-水凝胶复合材料的机电性能及机理。

图3. M-水凝胶对其表面运动的感知能力。

图4.M-水凝胶的一般感测性能。（A到E）响应（A）手指弯曲，（B）不同手势，（C）人体脉搏和（D和E）面部表情而引起的M水凝胶的电阻变化。

图5.M-水凝胶的先进传感应用。（A）签名感应示意图。（B到D）由（B）签名的变化以及（C和D）由不同志愿者写的OK。（E）声音感应示意图。（F到H）电阻响应于听起来类似的字母“ B”，“ D”和“ E”。

【本文总结】

本文开发了具有出色传感功能的基于MXene(Ti₃C₂T_x)的PVA水凝胶。将具有多个表面官能团的MXene纳米片材添加到PVA水凝胶中可导致出色的拉伸性和瞬时自修复性。MXene纳米片的高灵敏度，M-水凝胶对压缩应变和拉伸应变的各向异性响应以及其粘弹特性的结合，使所得复合水凝胶成为一种有趣的传感材料，可以方便地检测其表面的运动方向和速度。涉及运动速度和轨迹（例如笔迹、面部表情和声音信号）细微变化的高级感测应用程序都可以以高精度和高灵敏度进行检测。

文献链接：

http://advances.sciencemag.org/content/4/6/eaat0098