可穿戴电子设备、检验测试和软机器人技术的发展，要求着应变传感器具有高灵敏度、可伸缩性、能够顺应性地粘附到任意复杂的表面上，并且最好具有可自愈性。导电水凝胶有望作为这些应用的传感材料。但是，它们的灵敏度通常较低，并且由于它们的粘弹性而遭受信号滞后和波动的影响，这会损害其传感性能。本文报道了一种掺入MXene的水凝胶复合材料，并且其性能优于之前所有报道的水凝胶应变传感器。所得复合水凝胶[MXene基水凝胶（M-hydrogel）]的抗张应变敏感性为25，比原始水凝胶高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、出色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）下比在拉伸应变下显示出更高的灵敏度。作者利用这种不对称应变敏感性与粘性变形（可自我恢复的残余变形）相结合，为水凝胶的传感能力增加了新的维度。因此，可以方便地检测水凝胶表面上的运动方向和速度。基于这种效果，M-水凝胶在先进的传感应用中显示出卓越的传感性能。因此，传统上不利的水凝胶粘弹性能可以转化为传感优势，这揭示了水凝胶传感器的前景。

图1 MXene-水凝胶的一般感测性能

MXenes stretch hydrogel sensor performance to new limits.

Science Advances ( IF 13.116 )

Pub Date : 2018-Jun-01

DOI: 10.1126/sciadv.aat0098

可安装在人体皮肤上的微电子器件引起了人们广泛的兴趣，包括人机界面、生物集成设备和个性化医学等各种有前途的应用。然而，在整个工作范围内，开发模仿人体体感系统的电子皮肤，仍然是一项严峻的挑战。本文报道了一种具有异质结构的多功能电子皮肤器件，该器件通过聚吡咯纳米线（PPy NWs）在界面处具有高韧性和低滞后性，同时控制了裂纹的产生和分布。多维配置使电子皮肤具有超大的工作范围（2800％）、超快的响应时间（90 ms）和回弹时间（240 ms）、良好的线性度（800％）、可调的传感机制以及出色的重现性。同时，该电子皮肤能够检测、量化和远程监控多个维度上的拉伸运动、触觉压力、接近感测以及温度和光线的变化，从而为下一代智能柔性电子产品建立了一个有希望的平台。

图1 MXene-PPyNW-VSNP-PAM的异构集成电子皮肤示意图。

Mixed-dimensional MXene-hydrogel heterostructures for electronic skin sensors with ultrabroad working range

Science Advances ( IF 13.116 )

Pub Date : 2020-11-27

DOI: 10.1126/sciadv.abb5367

导电水凝胶，由于其在电子皮肤和个性化医疗方面的巨大潜力，同时作为柔性可穿戴应变传感器引起了极大的研究兴趣。但是，使用纯水作为分散介质的常规导电水凝胶不可避免地会在零度以下冻结，从而导致其导电性和机械性能下降。同时，即使在室温下，这种水凝胶也会由于蒸发而不可避免地失水，从而导致较差的保存期限。本文开发了一种防冻、自修复和导电的MXene纳米复合有机水凝胶（MNOH），通过将MXene纳米复合水凝胶（MNH）浸入乙二醇（EG）溶液中，以替换部分水分子。通过将导电MXene纳米片网络合并到水凝胶聚合物网络中来制备MNH。所制备的MNOH具有出色的抗冻性能（−40°C）、持久的水分保持能力（8d）、出色的自修复能力和优异的机械性能。此外，该MNOH可以装配为可穿戴应变传感器，可以在极低的温度下以相对较宽的应变范围（高达350％应变）和44.85的高规格系数检测人类生理活动。这项工作为在电子皮肤、人机交互和个性化医疗保健监视方面的潜在应用铺平了道路。

a）导电、防冻和自修复MNOH的制备示意图。

b）分层的MXene纳米片和c，d）冷冻干燥的MNH的SEM图像。

Conductive MXene Nanocomposite Organohydrogel for Flexible, Healable, Low-Temperature Tolerant Strain Sensors

Advanced Functional Materials (IF 16.836)

Pub Date : 2019-07-26

DOI:10.1002/adfm.201904507

在生物电子学中，导电水凝胶是用于人机交互界面的理想材料。但是，低温引起的冻结问题和水蒸发引起的结构破坏严重阻碍了它们的实际应用。为了解决这些问题，本文通过精心设计，将高电导率的MXene纳米片引入单宁酸修饰的纤维素纳米原纤维/聚丙烯酰胺杂化凝胶网络中，成功制备了MXene基导电有机水凝胶，该网络渗透了甘油（Gly）/水二元溶剂。由于引入了Gly，因此制备的有机水凝胶在宽温度范围（-36至60℃）下显示出出色的柔韧性和导电性，并在开放环境（> 7天）中表现出长期稳定性。另外，动态的儿茶酚硼酸酯键以及水和Gly分子之间易形成氢键，进一步使有机水凝胶具有出色的拉伸性（约1500％应变）、高组织粘合性和自愈特性。良好的环境稳定性和宽广的工作应变范围（约500％应变）；加上高灵敏度（仪表系数为8.21），使得这种有机水凝胶成为大、细微运动监测的理想材料。

a-e）TA@CNF的制备示意图。

f）在有机水凝胶中形成TA@CNF/PAAm/MXene互穿网络的示意图。

g）MXene、TA@CNF和PAAm弹性网络之间的化学键合的示意图。

h）在零度以下温度下有机水凝胶（向上）和常规水凝胶（向下）中水分子的键合结构示意图。

MXene-Based Conductive Organohydrogels with Long-Term Environmental Stability and Multifunctionality

Advanced Functional Materials ( IF 16.836 )

Pub Date : 2020-09-18

DOI: 10.1002/adfm.202005135

由于水凝胶在柔性电子、人机界面、传感器、执行器和柔性储能方面的潜在应用，近来引起了极大的兴趣。得益于其亲水性、金属导电性、高长宽比形态和广泛可调节特性的出色组合，当将二维MXenes掺入水凝胶体系中时，它们提供了令人兴奋且用途广泛MXene基软材料。MXene水凝胶的迷人特性受复杂的凝胶结构和凝胶作用支配，需要在纳米级进行深入的研究。另一方面，将MXenes配制成水凝胶可显着提高MXenes的稳定性，这通常是许多基于MXene的应用的限制因素。此外，通过简单的处理，可以获得MXene水凝胶的衍生物，例如气凝胶，从而进一步扩展了其多功能性。本文旨在展示MXene水凝胶在扩展水凝胶和MXene的应用范围，以及提高基于MXene的器件的性能方面的巨大潜力。作者阐明了各种含MXene的水凝胶体系的现有结构，以及它们的凝胶化机理和相互联系的驱动力。然后，作者讨论了由MXene集成到水凝胶中而产生的独特性能，与单独使用MXenes或水凝胶相比，它们在许多应用（储能/采集、生物医学、催化、电磁干扰屏蔽和传感）中具有增强的性能。

图1报道的含MXene的水凝胶的示意图。

顺时针：全MXene、GO辅助MXene、MXene-聚合物和MXene-金属杂化纳米复合水凝胶。

MXene hydrogels: fundamentals and applications.

Chemical Society Reviews (IF 42.846)

Pub Date : 2020-09-16,

DOI:10.1039/d0cs00022a

太赫兹技术的快速发展需要高性能的电磁干扰（EMI）屏蔽材料来创建安全的电磁环境。尽管在实现卓越的屏蔽效率（SE）方面取得了巨大突破，但是传统的屏蔽材料仍具有高反射率，一旦形成就无法进行重新调节或回收，从而导致有害的二次电磁污染和差的适应性。本文报道了一种策略，该策略通过生物矿化启发的组装方法组装MXene纳米片，以制造具有由MXene、聚丙烯酸（PAA）和无定形碳酸钙（ACC）组成的混合结构的水凝胶型屏蔽材料（MXene-PAA-ACC）。所制得的MXene复合水凝胶具有适度的导电性，优异的拉伸性和再循环性，良好的形状适应性和对各种表面的粘合性以及快速的自修复能力，使其具有多功能性，具有极大的应用灵活性和可靠性。更重要的是，得益于多孔结构，源自MXene网络的适度电导率以及内部富水环境的结合，水凝胶显示出以吸收为主的EMI屏蔽性能。在极薄的水凝胶（0.13mm）中，可以同时实现45.3dB的高EMISE、23.2dB的出色的还原损失（RL）和有效的宽吸收带宽（EAB，0.2-2.0THz）。此外，还研究了多功能水凝胶的传感特性。

图1. MXene复合水凝胶的制备和结构表征。

（a）MXene复合水凝胶制备示意图。

（b）合成后的MXene复合水凝胶的照片。

（c）X射线衍射（d）XPS调查以及（e）MXene水凝胶和参考样的FT-IR光谱。

（f）PAA-ACC水凝胶和（g，h）MXene复合水凝胶的SEM图像。

Multifunctional MXene Composite Hydrogels with Strain Sensitivity toward Absorption-Dominated Electromagnetic-Interference Shielding

ACS Nano (IF 14.588)

Pub Date : 2021-01-05

DOI:10.1021/acsnano.0c08830

2D MXene纳米片的重新堆叠严重限制了它们的应用，开发克服该问题的有效策略仍然具有挑战性。本文首次制造了具有超可拉伸性（〜1400％）、导电和抗团聚的MXene/聚丙烯酸（PAA）水凝胶。在该策略中，在MXene表面上原位生长TiO2纳米颗粒（NPs）被用来克服纳米片在水溶剂中的重新堆积。还原性TiO2@MXene纳米片不仅催化过硫酸铵的解离以在不借助热能的情况下引发AA单体的超快聚合，而且还可以在短时间内交联聚合物链（通过化学键合）形成水凝胶。TiO2@MXene纳米片与AA之间的化学键解决了凝胶体系中MXene沉积的难题，从而使水凝胶具有显着的稳定性（>60天）。另外，可以通过改变TiO2@MXene的含量来容易地调节TiO2@MXene-PAA水凝胶的机械、粘合、溶胀和导电性能。粘性和导电性TiO2@MXene-PAA水凝胶可用作自粘性生物电极，用于稳定接收人体生理信号，包括心电图（ECG），眼电图（EOG）和表面肌电图（sEMG）。该策略极大地减少了水凝胶中MXene纳米片的聚集，并改善了其拉伸性。此外，该策略对于基于MXene的可拉伸水凝胶的生物电子应用前景广阔。

图1.（a）在超声激发下被TiO2 @ MXene纳米片表面捕获的AA单体；

（b）TiO2 @ MXene纳米片催化的藤状结构PAA的快速合成；

（c）带有TiO2 @ MXene纳米片（交联剂）的PAA链的自组装和自交联行为；

（d）TiO2 @ MXene-PAA水凝胶内部结构的SEM图像。

Modified Ti3C2TX (MXene) Nanosheet-Catalyzed Self-Assembled, Anti-Aggregated, Ultra-stretchable, Conductive Hydrogels for Wearable Bioelectronics

Chemical Engineering Journal (IF=10.652)

Pub Date : 2020-07-02

DOI:10.1016/j.cej.2020.126129

电子皮肤具有与人类皮肤相似的功能（可拉伸性、自我修复性和多功能感官），在个性化医疗、人工智能设备、软机器人系统等方面具有潜在的应用前景。在多种用于电子皮肤的软传感器中，应变传感器至关重要，它可以将机械刺激转换为可读信号。应变传感器可以分为压阻式、电容式和压电式。压阻式和压电式应变传感器具有很高的灵敏度，但电容式传感器具有低滞后性、非凡的稳定性和高线性度，这在实际应用中很理想，例如眨眼监测、脉搏检测和人体运动监测，涵盖了微小和大应变范围。在这项研究中，使用可自修复的MXene/PVA水凝胶基电极开发了具有高拉伸性、高线性度和小滞后的电容式应变传感器。因此，将MXene用作掺入PVA水凝胶的纳米填料：（1）增强水凝胶的电导率。（2）与PVA的混合改善自愈性。MXene/PVA水凝胶是通过将MXene薄片与均匀的PVA溶液直接混合，并添加硼酸盐溶液以完成糊化来制备的。合成的MXene/PVA水凝胶比CNT / PVA水凝胶具有断裂伸长率（≈1200％）、快速的自愈能力（≈0.15s）和优异的电导率。使用MXene/PVA水凝胶作为电极，并使用VHB膜（4905、3M）作为介电层，将电容式应变传感器组装成三明治结构。基于MXene/PVA的电容式传感器具有良好的线性度、自修复性和较高的机械耐用性（10000次循环后相对电容变化降低了5.8％），在应变高达200时的规格系数（GF）约为0.4 ％。高性能使该器件能够检测外部刺激（例如关节运动和发声），在电子皮肤中展现其潜在的应用价值。

图1. MXene/PVA水凝胶的制备。

a）MXene/PVA水凝胶的合成示意图。

b）MXene/PVA水凝胶的制备过程的照片。

c-f）所制备的MXene/PVA水凝胶的自愈性和可拉伸性的照片。

Highly Stretchable and Self-Healable MXene/Polyvinyl Alcohol Hydrogel Electrode for Wearable Capacitive Electronic Skin

Advanced Electronic Materials (IF 6.593)

Pub Date : 2019-05-23

DOI:10.1002/aelm.201900285

近年来，电子皮肤因其与人体皮肤相似的拉伸性和传感性能引起人们广泛关注。其中，可以将生理信号转化为电信号的柔性应变传感器，在柔性触摸屏、健康临床监测、工业机器人等方面表现出巨大潜力。但有限的拉伸性能和低灵敏度严重阻碍了它们在柔性应变传感器中的实际应用。水凝胶是一种包含大量水或离子液体的三维网络，因其出色的可拉伸性、柔韧性和生物相容性而被广泛用于柔性应变传感器。但是，由于交联度有限且粘度较高，单网络水凝胶的机械性能和稳定性相对较差，制备兼具高拉伸性和高灵敏度的柔性可穿戴应力传感器仍面临巨大挑战。作者将二维导电材料MXene加入到PVA/PVP双网络水凝胶中，成功构建了具有优异机械性能的高灵敏MXene复合双网状水凝胶传感器。该传感器可以实现对人体活动的多种生理刺激的实时监控，例如膝盖弯曲、手指弯曲、脉搏跳动、语音、脉冲振动以及健康诊断等，它还可以进一步组装成压力传感器的复杂矩阵，在人机交互、健康诊断和可穿戴电子设备方面具有良好的应用前景。

图1 压力传感器的应用

Highly Stretchable, Elastic, and Sensitive MXene-Based Hydrogel for Flexible Strain and Pressure Sensors.

Research

Pub Date : 2020-07-14

DOI: 10.34133/2020/2038560

信息来源:科研志

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