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不列顛哥倫比亞大學姜鋒教授團隊 Small：基于亞微米木質纖維構建超彈氣凝膠壓力傳感器

2023-11-21 來源：高分子科技

壓力傳感器因其在語音識別、健康監測、運動檢測、電子皮膚等領域的廣泛應用前景而備受矚目。其中，多孔纖維素基氣凝膠由于其低密度、高表面積和可生物降解的特點，近些年已被探究用于開發環保型高性能壓力傳感器。然而，纖維素基氣凝膠的傳感性能高度依賴于其本身的密度。通常情況下，低密度結構具有較大的孔間距，在低壓力條件下無法形成有效的導電路徑，導致檢測極限較高和響應時間較長；而高密度結構雖然有利于構建有效的導電網絡，但往往以犧牲結構彈性和傳感性能為代價。因此，在保持結構彈性的同時，進一步提升纖維素基氣凝膠的傳感性能仍存在挑戰。

近日，不列顛哥倫比亞大學姜鋒教授團隊利用雙冰模板法結合靜電自組裝，開發了一種導電且超彈的亞微米木質纖維/碳黑（SMF/CB）復合氣凝膠，所制備氣凝膠實現了其密度、彈性和傳感性能之間的有效平衡。該工作以“Superelastic Cellulose Sub-Micron Fibers/Carbon Black Aerogel for Highly Sensitive Pressure Sensing”為題發表于《Small》，不列顛哥倫比亞大學碩士研究生張伊凡和博士后朱朋輝為論文的共同第一作者，通訊作者為朱朋輝博士和姜鋒教授。

圖1. SMF/CB氣凝膠設計策略示意圖。(a) 利用冰模板法將CNF組裝成SMF示意圖；(b) 靜電組裝法將CB吸附至SMF表面示意圖；(c) 所制備SMF/CB復合氣凝膠的結構示意圖。

圖2. CNF、SMF和SMF/CB懸浮液及所制備氣凝膠的形貌特征。(a) CNF、SMF和SMF/CB懸浮液的照片；(b) CNF、(c) SMF和(d) SMF/CB的TEM 圖；(e) CNF、(f) SMF和(g) SMF/CB氣凝膠在100 g砝碼壓縮前后的照片對比；(h-j) CNF、(k-m) SMF和(n-p) SMF/CB氣凝膠的SEM圖。

圖3. SMF和SMF/CB氣凝膠的機械性能。(a) SMF0.4氣凝膠在10%至50%應變下的壓縮應力-應變曲線；在40%應變下，(b) 不同密度的SMF氣凝膠和(c)不同CB負載量的SMF/CB氣凝膠在50次循環測試中的最大應力保留率；(d) SMF0.2/CB0.1氣凝膠在10%至50%應變下的壓縮應力-應變曲線；(e) SMF0.2/CB0.1 氣凝膠在40%應變下的循環壓縮應力-應變曲線；(f) SMF0.2/CB0.1氣凝膠在10,000次循環測試中的高度保留率。

圖4. SMF/CB氣凝膠的傳感性能。(a) SMF/CB氣凝膠在不同施加壓力下的I-V曲線；(b) SMF0.2/CB0.1氣凝膠在不同施加壓力下的相對電阻變化；(c) SMF0.2/CB0.1氣凝膠在0-6.5 kPa范圍內的靈敏度；(d) CB/SMF氣凝膠的壓阻傳感機理示意圖；(e) SMF0.2/CB0.1氣凝膠在1.5 kPa施加壓力下進行1,000次循環壓縮/釋放測試過程中的相對電阻變化；(f) SMF0.2/CB0.1氣凝膠在施加1 kPa壓力的壓縮/釋放過程中的響應和恢復時間；(g) 本研究與已發表的相關研究關于響應和恢復時間的對比。

圖5. SMF/CB氣凝膠在多種人體運動監測中的應用展示。SMF0.2/CB0.1氣凝膠在監測(a) 咳嗽、(b,c) 語音、(d) 脈搏、(e) 肘部彎曲和(f) 膝蓋彎曲時的相對電阻變化；(g) 用于監測手關節彎曲的SMF0.2/CB0.1氣凝膠陣列示意圖；(h) SMF0.2/CB0.1氣凝膠陣列對不同手指運動的響應曲線及其在人機交互中的應用展示。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202310038

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（責任編輯：xu）

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