南开陈永胜/梁嘉杰NC：超低检测限和超高灵敏检测的气凝胶设计

一、【导读】

机械力信号的实时传感是许多下一代尖端智能应用的关键要求。目前迫切需要开发具有超低检测限和超高灵敏度的机电传感器，以促进智能技术的发展。因此，将超低最小可检测压力限制与超高灵敏度相结合的压力传感器的开发将为传感应用提供令人兴奋的新机遇，但必须克服与材料相关的重大挑战。由于活性材料的广泛选择以及简单的制造和集成过程，压阻式压力传感器依赖于由材料变形引起的电阻变化以响应施加的压力，是目前最有前途的力传感技术。原则上，电阻变化受压阻材料的结构和电气特性控制，而材料变形主要取决于它们的几何形状和机械性能。在过去的几年里，广泛的研究集中在通过优化传感材料的结构和电学特性来提高压阻传感器的可检测性和/或灵敏度。虽然由导电填料和绝缘聚合物的块状复合材料制成的传统压阻传感器表现出低灵敏度，但最近的研究表明，分级纳米/微结构材料提供了良好的传感性能。此外，由于压阻式压力传感器的灵敏度通常与其杨氏模量成反比，因此最近研究了导电气凝胶作为一种理想的替代压阻材料，用于感应由于其低模量而导致的细微压力变化。总体而言，尽管最近的大量研究努力推动了用于传感应用的压阻材料的开发，但在压阻材料中同时实现超低检测限和超高灵敏度仍然具有挑战性。

二、【成果掠影】

在此，南开大学陈永胜教授和梁嘉杰教授（通讯作者）等人提出了一种制造柔性聚硅氧烷交联MXene气凝胶的策略，该气凝胶在其细胞壁内具有多级纳米通道，用于超灵敏的压力检测。易于收缩的纳米通道和优化的材料协同作用赋予压阻气凝胶超低杨氏模量（140 Pa）、多种可变导电通路和机械强度。压缩下多级纳米通道的收缩增加了相邻MXene纳米片之间的接触面积，这导致形成许多新的导电路径和相当大的电阻变化。MXene和聚硅氧烷之间形成共价交联，使分层气凝胶具有出色的机械强度和压缩弹性（高达80%）。由于这种复杂的设计，这种气凝胶可以检测0.0063 Pa的极小的压力信号，提供超过1900 kPa^-1的高压灵敏度，并表现出优异的传感性此外，即使在10, 000次压缩-释放循环之后，这种微妙的压力传感性能（包括灵敏度和可检测性）也能保持不变。这些传感特性使MXene气凝胶可用于以非入侵性方式监测由深部颈内静脉脉搏产生的超弱力信号，检测与蚊子着陆和起飞相关的动态信号，并对头发绘制静态压力图。

相关研究成果以“Pushing detectability and sensitivity for subtle force to new limits with shrinkable nanochannel structured aerogel”为题发表在Nature Commun.上。

三、【核心创新点】

√ 利用导电MXene纳米片和超软聚合物在气凝胶的多级细胞壁内组装可收缩的纳米通道结构，开发了一种在微小的力信号方面，具有相当大的结构、电和机械优势的压阻气凝胶；

√ 气凝胶具有极低的传感极限、前所未有的对微小压力的高灵敏度、快速响应时间、高传感分辨率和强大的传感耐久性。

四、【数据概览】

图一、压阻式BBP-MX-AG设计示意图© 2022 The Authors

（a）BBP-MX-AG的结构和MXene纳米通道在压力下多级细胞壁的收缩过程；

（b）压阻式 BBP-MX-AG 传感器的等效电路图；

（c）MD模拟展示了压缩应变下MXene纳米通道之间的PGPDMS原子构型

图二、BBP-MX-AG的结构和机械性能© 2022 The Authors

（a）BBP-MX-AG的SEM图像；

（b，c）HRTEM图像显示BBP-MX-AG细胞壁层间间距为1.8 nm，MX-AG细胞壁层间间距为1.1nm；

（d）BBP-MX-AG和MX-AG的XRD图谱；

（e）BBP-MX-AG的杨氏模量与密度的关系；

（f）BBP-MX-AG在压缩释放循环期间的压缩应力-应变曲线，最大应变高达 80%

图三、BBP-MX-AG细胞壁中纳米通道收缩和扩张的原位表征© 2022 The Authors

（a-d）原位横截面HRTEM图像显示了5个MXene层（用红线标记）的细胞壁的厚度变化；

（e-f）利用数字显微图软件分析（a-d）中细胞壁纳米通道的特定间距变化。

图四、BBP-MX-AG传感器微小压力传感性能的表征© 2022 The Authors

（a）通过在0.025-0.2 Pa的压力范围内以1 Hz的振动频率改变压力，BBP-MX-AG 传感装置的相对电流随时间变化；

（b）在不同压力下放大的可逆压缩-释放行为；

（c）BBP-MX-AG传感器的相对电流随时间变化；

（d）瞬态传感响应时间对施加压力的放大曲线；

（e）在2 Hz的固定频率下，由于声强从50增加到60 dB（对应于0.0063-0.02 Pa）的梯度声波引起的传感设备的相对电流随时间变化；

（f）BBP-MX-AG和纯MX-AG传感器在不同压力源的刺激下的微小压力敏感性；

（g）BBP-MX-AG压阻式传感器和之前报道的最先进的压力传感器在最小压力下的最小可检测压力和相应灵敏度的对比。

图五、BBP-MX-AG微小的压力传感稳定性和耐用性© 2022 The Authors

（a）BBP-MX-AG传感器在0-1 Pa范围内经过10000次压缩-释放循环后的相对电流变化；

（b）第1、100、1000、5000和10000次压缩-释放循环的详细相对电流变化与压力曲线；

（c）BBP-MX-AG传感器在0-1 Pa范围内经历10000次压缩-释放循环后，在 0.0063-0.02 Pa范围内的压力下的相对电流变化

图六、压阻式BBP-MX-AG传感器在检测微小力信号中的应用© 2022 The Authors

（a）人类颈部颈动脉（CA）和颈内静脉（IJV）位置的示意图；

（b）安装在人体颈部特定位置以监测CA和IJV脉冲的传感装置；

（c，d）从志愿者中测量的电流响应和CA脉冲的详细波形；

（e，f）从志愿者中测量的电流响应和IJV脉冲的详细波形；

（g，h）传感阵列检测到重约0.21毫克的人类头发的照片，及归一化电流变化的相应分布；

（i）对蚊子（1.75 mg）着陆和离开传感阵列表面的实时电流响应。

五、【成果启示】

综上所述，本文利用导电MXene纳米片和超软聚合物在气凝胶的多级细胞壁内组装可收缩的纳米通道结构，开发了一种压阻气凝胶。这种气凝胶设计在传感微小的力信号方面具有相当大的结构、电和机械优势。实验结果表明，BBP-MX-AG气凝胶是一种极其灵敏的压阻传感器，具有极低的传感极限、前所未有的对微小压力的高灵敏度、快速响应时间、高传感分辨率和强大的传感耐久性。通过展示这种设计在尖端应用中的可行性，预计本文的策略将为开发具有高灵敏度和低检测限的压阻材料开辟新途径。

文献链接：“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编译供稿。

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