导电水凝胶在柔性传感器领域显示出良好的应用前景，但其往往存在机械性能差、灵敏度低、缺乏抗冻性等问题。在此，作者报告了一种坚韧、高灵敏度和防冻应变传感器，该传感器由双交联聚丙烯酰胺和聚乙烯醇（PVA）网络组成的导电有机水凝胶，以及作为纳米填料的MXene纳米片和作为主要导电组分的聚（3，4-亚乙基二氧噻吩）掺杂的聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT/PSS）组装而成（PPMP-OH有机水凝胶）。由于 MXene 纳米片的机械增强以及有机水凝胶中形成的各种强非共价相互作用，MXene 纳米片大大提高了 PPMP-OH 的拉伸强度和韧性。 PPM1P-OH有机水凝胶在772%时的拉伸强度为1.48 MPa，韧性为5.59 MJ/m³。此外，PEDOT/PSS 显着提高了 PPMP-OH 的电导率和应变传感性能，PEDOT/PSS 可以与 PVA 形成氢键，并与 MXene 形成静电相互作用。这对于构建均匀分布且稳定的3D导电网络非常有利于获得PPMP-OH的应变依赖性电阻。由PPMP1-OH组装而成的应变传感器具有5.16的高灵敏度、高达500%的可检测应变范围和122 ms的短响应时间，能够有效地检测人体的各种生理活动，并且稳定性高。此外，相应的压力传感器阵列在识别压力大小和位置方面也表现出高灵敏度。

 
Fig 1. (a) 超薄 Ti3C2 纳米片的制备示意图。 (b) PPMPOH有机水凝胶的制备过程示意图。 (c) Ti3AlC2 MAX 和 Ti3C2Tx MXene 的 XRD 图案。 (d) 分层 MXene 纳米片的 TEM 图像。 (e) PAM、PAM-PVA、PPM 和 PPMP 水凝胶的 FTIR 光谱。 (f) 冻干 PPMP 水凝胶的截面 SEM 图像和 EDS 光谱。

 
Fig 2. (a) PPMP-OH 有机水凝胶的照片：(i) 初始状态，(ii) 拉伸，(iii) 扭曲，(iv) 打结后拉伸。 PPMP-OH 有机水凝胶承受金属圆柱体 (v) 和剪刀 (vi) 的压力。 (vii) 200克重物可以轻松举起。 (b) 不同组成的水凝胶或有机水凝胶的拉伸应力-应变曲线。具有不同 PVA (c) 和 MXene (d) 含量的 PPMP-OH 有机水凝胶的拉伸应力-应变曲线。 (e) 不同MXene含量的PPMP-OH有机水凝胶的弹性模量和韧性。

 
Fig 3. (a) 不同应变下 PPM1P-OH 有机水凝胶的连续加载-卸载。 (b) 五个加载-卸载循环，两次连续测试之间没有休息间隔。 (c) 具有不同休息时间的 300% 应变的拉伸循环应力-应变曲线。 (d) (c) 中每个循环的最大应力和耗散能量。 (e) 100% 拉伸应变下 100 个循环。 (f) (e) 中循环的最大应力和耗散能量。

 
Fig 4. (a) PPMP 水凝胶和 PPMP-OH 有机水凝胶在 -20 °C 冷冻 12 小时后的数码照片。 (b) 冷冻 PPMP-OH 有机水凝胶和 LED 灯串联的电路。 (i) 正常状态。 (ii) 拉伸状态。 (c) 正常和冷冻 PPMP-OH 有机水凝胶的典型应力应变曲线。不同溶剂交换时间下 PPMP-OH 有机水凝胶的应力应变曲线 (d) 和电导率 (e)。 (f) PPMP水凝胶和PPMP-OH有机水凝胶在室温下储存7天的相对重量变化。

 
Fig 5. (a) 不同PEDOT/PSS含量的PPMP-OH的电导率。 (b) 不同 MXene 含量的 PPMP-OH 的电导率。有机水凝胶的应变传感性能。 (c) PPMP-OH 有机水凝胶的 ΔR/R0 随拉伸应变的变化。 PEDOT/PSS含量分别为0 (d)、0.5 (e)和2 mL (f)的PPMP-OH有机水凝胶的传感特性 (g) PPMP-OH应变传感器在拉伸下的变形机制。

 
Fig 6. (a) PPMP 水凝胶在 30% 应变下的响应时间和恢复时间。 (b) PPM-OH水凝胶柔性应变传感器在不同应变下的相对电阻变化。不同拉伸速率下ΔR/R0的变化[部分(c)和不同应变(d)]。 (e) 逐步伸长和释放过程中ΔR/R0随时间的变化。 (f) 50%应变下重复加载-卸载过程400个循环下的ΔR/R0响应。 （g）我们的PPMP-OH有机水凝胶与其他报道的水凝胶或有机水凝胶之间的综合性能比较。

 
Fig 7. (a) PPMP-OH基压力传感器在不同压力下的相对电阻变化。 (b) 压力传感器在不同压力下重复3次的相对电阻变化。 (c) 10% 压缩下 300 个加载-卸载循环。 (d) PPMP-OH压力传感器在压力下的变形机制。

 
Fig 8. PPMP-OH 应变传感器在监测人体运动和压力方面的性能。 (a) 食指弯曲和伸直不同角度的ΔR/R0信号。手指弯曲（b）、握拳动作（c）、手腕弯曲（d）和行走（e）等人体关节运动的反应，以及头部运动（f）和咳嗽（g）分别引起的颈部肌肉运动。压力传感器响应手指敲击 (h) 和 10 g 重量 (i) 的压力的 ΔR/R0 比率。

 
Fig 9. (a) 4 × 5 单元传感器阵列上 50 g 重物的照片和 (b,c) 相应的压力分布。 (d) 手指按压和相对电阻变化 (e,f)。 (g) 手掌按压和相对阻力变化 (h,i)。来自传感响应的 (b,e,h) 2D 映射和 (c,f,i) 3D 映射。
 
       相关研究工作由浙江理工大学Lie Wang和Sanqing Huang课题组由于2024年在线发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊上，ough and Strain-Sensitive Organohydrogels Based on MXene and PEDOT/PSS and Their Effects on Mechanical Properties and Strain-Sensing Performance，原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c18631

转自《石墨烯研究》公众号