ACS Nano：MXene生物复合材料—高性能柔性压力传感器的新思路

来源：X一MOL资讯

随着科技的发展，柔性可穿戴压力传感器因其便携，生物兼容性好等优良性能而备受关注。可穿戴柔性压力传感器的研制在电子皮肤、生物医疗、人机交互和健康监测等方面具有十分重要的意义，我们不光要求其具有精确的压力感知能力，同时在柔韧性、检测范围、稳定性以及应变能力等方面对其提出了更高的要求。目前应用在可穿戴柔性传感器的材料主要包括金属纳米颗粒、纳米线、纳米片、石墨烯和碳纳米管等物质，虽然这些材料柔韧性良好，但是有限的形变能力和较大的迟滞行为限制了它们的应用。

图1. 互联结构以及有限元分析

近日，吉林大学王丽丽副教授团队与中国科学院半导体研究所沈国震研究员团队联合开发出具有仿生互联结构的传感层材料，基于此制作成的柔性传感器很好的弥补了上述缺陷。研究团队受人类皮肤的启发，将天然海胆状的微胶囊与二维MXene纳米薄片结合制作成复合薄膜，在其中引入仿生互联结构。研究发现当薄膜受到外力时，这种结构可以有效地调节复合薄膜内的应力分布，避免了因应变集中导致薄膜产生裂纹，从而改善了材料的机械性能。同时研究人员还利用有限元建模分析证明与无仿生结构的平面薄膜相比，具有互联结构的复合薄膜表现出更强的变形能力，如图1和图2所示。实验结果表明复合生物薄膜的有效弹性模量为0.73 MPa，小于原始的平面薄膜的弹性模量2.19 MPa，证明三维互联结构增强了薄膜的可变形性。

图2. Mxene生物复合膜制备及其弹性表征

此外，具有互锁结构的柔性压力传感器较平面结构的传感器的灵敏度提高了8.69倍，在低压（0-0.2kPa）和高压（0.2-7kPa）下灵敏度分别可达到1.04 kPa-1和24.43 kPa-1。较高的灵敏度保障了传感器在实际应用中的准确性。值得注意的是，这种具有仿生结构的柔性传感器可以检测到低至8 Pa的微小压力。在经过了5000次循环后，器件依然保持着较好的稳定性；另外在响应恢复时间上，该传感器也有着良好的表现。这些优异的性能使得该传感器可以应用于人体生理信号的检测，比如脉搏，声音，关节活动等（图3）。

图3. 柔性压力传感器对人体生理信号监测

综上，研究人员制作的这种具有新型仿生互联结构的柔性压力传感器性能优异，具有良好的应用前景。

相关成果近期发表在ACS Nano上，第一作者为硕士研究生王康，通讯作者为王丽丽副教授和沈国震研究员。