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  最近，智能可穿戴設備發展迅速。然而，傳統的可穿戴設備通常使用剛性電子元件和硬材料，這限制了設備的舒適性和靈活性。柔性可穿戴技術是一種新型電子技術。與傳統的硅基電子器件相比，柔性可穿戴式壓電傳感器具有輕薄、柔軟、舒適等優點。目前，多功能可穿戴技術的應用已經在各個領域實現，如運動監測、人機交互和可穿戴醫療設備。然而，為了滿足當前應用的實際需要，柔性壓電傳感器在其高靈敏度、高分辨率、快速響應和良好的穩定性方面遇到了挑戰。

  近日，北京石油化工學院師奇松副教授課題組在《POLYMER》期刊上發表題為“Synergetic effect of MXene/MoS₂ heterostructure and gradient multilayer for highly sensitive flexible piezoelectric sensor”的論文。在本研究中，采用了梯度多層和2D/2D（MXene/MoS₂）異質結的新概念，可以有效地促進界面耦合效應，將更多的3^1-螺旋構象轉變為平面之字形構象，顯著改善多層復合纖維薄膜的介電、鐵電和壓電性能，從而提高其輸出性能。

  該傳感器表現出高度靈敏，能夠檢測到手指彎曲等細微的人體動作，以及監控人體在投籃運動中身體各個部位的信號。優異的機械性能使壓電傳感器具有柔性、輕便等特點。此外，傳感器具有良好的透氣性，可以直接附著在皮膚上，使皮膚能夠正常呼吸，并減少因長時間佩戴傳感器而導致皮膚刺激的可能性，從而提高傳感器的舒適性。在可穿戴式人體運動監測中具有很大的應用潛力。

本文亮點：

1. 基于每一層MoS₂的濃度，通過逐層靜電紡絲制備的PAN梯度多層纖維薄膜。

2. 由MXene和MoS₂形成的2D/2D異質結構，與PAN的-CN產生了氫鍵的相互作用，增強了壓電性能。

3. 異質結構和梯度多層結合的新概念，增強界面耦合。

4. 能夠監測人體細微的生理活動和感知人體的大幅度運動

5. 該纖維薄膜用作可穿戴傳感器，增強透氣性，使佩戴者感到舒適。

圖1. PAN 3^1-螺旋構象轉變為平面之字形構象的機理圖。

圖2. PAN多層復合纖維膜的開路電壓：(a)在不同的力下，(b)力-電壓線性圖，(c)手指不同彎曲角度，(d)不同厚度，(e)厚度-電壓線性圖，(f)不同接觸面積。(g)壓縮?釋放6000 次循環。(h)反應時間和恢復時間。(i)反向和正向連接。

圖3. (a)PAN纖維膜和(b)PAN多層纖維膜的接觸角。(c)不同樣品覆蓋物下水分蒸發的示意圖。(d)不同材料下剩余水質量與時間的關系圖。

圖4. 不同學生在PAN復合多層光纖薄膜傳感器上寫下“B”、“I”、“P”、“T”的電壓輸出信號。

圖5. PAN多層纖維復合膜的開路電壓：(a)手腕，(b)內肘、(c)肘、(d)腿、(e)-(g)膝彎曲不同的角度；(h)-(j)不同行走姿勢。

  論文第一作者為北京石油化工學院新材料與化工學院2021級碩士生黃妍，論文通訊作者為北京石油化工學院師奇松副教授和燕山大學梁永日教授。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.polymer.2023.126399