南開陳永勝/梁嘉杰NC：超低檢測限和超高靈敏檢測的氣凝膠設計

一、【導讀】

機械力信號的實時傳感是許多下一代尖端智能應用的關鍵要求。目前迫切需要開發具有超低檢測限和超高靈敏度的機電傳感器，以促進智能技術的發展。因此，將超低最小可檢測壓力限制與超高靈敏度相結合的壓力傳感器的開發將為傳感應用提供令人興奮的新機遇，但必須克服與材料相關的重大挑戰。由于活性材料的廣泛選擇以及簡單的制造和集成過程，壓阻式壓力傳感器依賴于由材料變形引起的電阻變化以響應施加的壓力，是目前最有前途的力傳感技術。原則上，電阻變化受壓阻材料的結構和電氣特性控制，而材料變形主要取決于它們的幾何形狀和機械性能。在過去的幾年里，廣泛的研究集中在通過優化傳感材料的結構和電學特性來提高壓阻傳感器的可檢測性和/或靈敏度。雖然由導電填料和絕緣聚合物的塊狀復合材料制成的傳統壓阻傳感器表現出低靈敏度，但最近的研究表明，分級納米/微結構材料提供了良好的傳感性能。此外，由于壓阻式壓力傳感器的靈敏度通常與其楊氏模量成反比，因此最近研究了導電氣凝膠作為一種理想的替代壓阻材料，用于感應由于其低模量而導致的細微壓力變化。總體而言，盡管最近的大量研究努力推動了用于傳感應用的壓阻材料的開發，但在壓阻材料中同時實現超低檢測限和超高靈敏度仍然具有挑戰性。

二、【成果掠影】

在此，南開大學陳永勝教授和梁嘉杰教授（通訊作者）等人提出了一種制造柔性聚硅氧烷交聯MXene氣凝膠的策略，該氣凝膠在其細胞壁內具有多級納米通道，用于超靈敏的壓力檢測。易于收縮的納米通道和優化的材料協同作用賦予壓阻氣凝膠超低楊氏模量（140 Pa）、多種可變導電通路和機械強度。壓縮下多級納米通道的收縮增加了相鄰MXene納米片之間的接觸面積，這導致形成許多新的導電路徑和相當大的電阻變化。MXene和聚硅氧烷之間形成共價交聯，使分層氣凝膠具有出色的機械強度和壓縮彈性（高達80%）。由于這種復雜的設計，這種氣凝膠可以檢測0.0063 Pa的極小的壓力信號，提供超過1900 kPa^-1的高壓靈敏度，并表現出優異的傳感性此外，即使在10, 000次壓縮-釋放循環之后，這種微妙的壓力傳感性能（包括靈敏度和可檢測性）也能保持不變。這些傳感特性使MXene氣凝膠可用于以非入侵性方式監測由深部頸內靜脈脈搏產生的超弱力信號，檢測與蚊子著陸和起飛相關的動態信號，并對頭發繪制靜態壓力圖。

相關研究成果以“Pushing detectability and sensitivity for subtle force to new limits with shrinkable nanochannel structured aerogel”為題發表在Nature Commun.上。

三、【核心創新點】

?√ 利用導電MXene納米片和超軟聚合物在氣凝膠的多級細胞壁內組裝可收縮的納米通道結構，開發了一種在微小的力信號方面，具有相當大的結構、電和機械優勢的壓阻氣凝膠；

√ 氣凝膠具有極低的傳感極限、前所未有的對微小壓力的高靈敏度、快速響應時間、高傳感分辨率和強大的傳感耐久性。

四、【數據概覽】

圖一、壓阻式BBP-MX-AG設計示意圖 ? 2022 The Authors

（a）BBP-MX-AG的結構和MXene納米通道在壓力下多級細胞壁的收縮過程；

（b）壓阻式 BBP-MX-AG 傳感器的等效電路圖；

（c）MD模擬展示了壓縮應變下MXene納米通道之間的PGPDMS原子構型?

圖二、BBP-MX-AG的結構和機械性能? ? 2022 The Authors

（a）BBP-MX-AG的SEM圖像；

（b，c）HRTEM圖像顯示BBP-MX-AG細胞壁層間間距為1.8?nm，MX-AG細胞壁層間間距為1.1nm；

（d）BBP-MX-AG和MX-AG的XRD圖譜；

（e）BBP-MX-AG的楊氏模量與密度的關系；

（f）BBP-MX-AG在壓縮釋放循環期間的壓縮應力-應變曲線，最大應變高達 80%?

圖三、BBP-MX-AG細胞壁中納米通道收縮和擴張的原位表征? ? 2022 The Authors

（a-d）原位橫截面HRTEM圖像顯示了5個MXene層（用紅線標記）的細胞壁的厚度變化；

（e-f）利用數字顯微圖軟件分析（a-d）中細胞壁納米通道的特定間距變化。

圖四、BBP-MX-AG傳感器微小壓力傳感性能的表征? ? 2022 The Authors

（a）通過在0.025-0.2 Pa的壓力范圍內以1 Hz的振動頻率改變壓力，BBP-MX-AG 傳感裝置的相對電流隨時間變化；

（b）在不同壓力下放大的可逆壓縮-釋放行為；

（c）BBP-MX-AG傳感器的相對電流隨時間變化；

（d）瞬態傳感響應時間對施加壓力的放大曲線；

（e）在2 Hz的固定頻率下，由于聲強從50增加到60 dB（對應于0.0063-0.02 Pa）的梯度聲波引起的傳感設備的相對電流隨時間變化；

（f）BBP-MX-AG和純MX-AG傳感器在不同壓力源的刺激下的微小壓力敏感性；

（g）BBP-MX-AG壓阻式傳感器和之前報道的最先進的壓力傳感器在最小壓力下的最小可檢測壓力和相應靈敏度的對比。

圖五、BBP-MX-AG微小的壓力傳感穩定性和耐用性? ? 2022 The Authors

（a）BBP-MX-AG傳感器在0-1 Pa范圍內經過10000次壓縮-釋放循環后的相對電流變化；

（b）第1、100、1000、5000和10000次壓縮-釋放循環的詳細相對電流變化與壓力曲線；

（c）BBP-MX-AG傳感器在0-1 Pa范圍內經歷10000次壓縮-釋放循環后，在 0.0063-0.02 Pa范圍內的壓力下的相對電流變化?

圖六、壓阻式BBP-MX-AG傳感器在檢測微小力信號中的應用? ? 2022 The Authors

（a）人類頸部頸動脈（CA）和頸內靜脈（IJV）位置的示意圖；

（b）安裝在人體頸部特定位置以監測CA和IJV脈沖的傳感裝置；

（c，d）從志愿者中測量的電流響應和CA脈沖的詳細波形；

（e，f）從志愿者中測量的電流響應和IJV脈沖的詳細波形；

（g，h）傳感陣列檢測到重約0.21毫克的人類頭發的照片，及歸一化電流變化的相應分布；

（i）對蚊子（1.75 mg）著陸和離開傳感陣列表面的實時電流響應。

五、【成果啟示】

綜上所述，本文利用導電MXene納米片和超軟聚合物在氣凝膠的多級細胞壁內組裝可收縮的納米通道結構，開發了一種壓阻氣凝膠。這種氣凝膠設計在傳感微小的力信號方面具有相當大的結構、電和機械優勢。實驗結果表明，BBP-MX-AG氣凝膠是一種極其靈敏的壓阻傳感器，具有極低的傳感極限、前所未有的對微小壓力的高靈敏度、快速響應時間、高傳感分辨率和強大的傳感耐久性。通過展示這種設計在尖端應用中的可行性，預計本文的策略將為開發具有高靈敏度和低檢測限的壓阻材料開辟新途徑。

文獻鏈接：“Pushing detectability and sensitivity for subtle force to new limits with shrinkable nanochannel structured aerogel”（Nature Commun.，2022，10.1038/s41467-022-28760-4）

本文由材料人CYM編譯供稿。

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