石墨烯气凝胶因其有序的微观结构和导电网络，为未来人机界面高性能压力传感器的开发带来了巨大前景。 然而，多孔微结构的固有刚度导致应变感应范围有限，从而阻碍了其应用。 在这里，通过在专用截面平面上将微结构从蜂窝状重新配置为屈曲结构，实现了一种各向异性交联壳聚糖和还原氧化石墨烯（CCS-rGO）气凝胶超材料。 重新配置后的 CCS-rGO 气凝胶显示出定向超弹性和非凡的耐久性（在定向压缩应变≤0.7 的条件下，经过 20 000 次循环后，结构无明显损坏）。 CCS-rGO 气凝胶压力传感器具有 121.45 kPa^-1 的超高灵敏度、前所未有的传感范围以及稳定的机械和电气性能。 气凝胶传感器可用于监测人体运动、控制机器人手，甚至集成到柔性键盘中播放音乐，这为未来的人机界面开辟了广阔的应用前景。
 

Fig 1. 重构CCS rGO气凝胶超材料的制备和表征。（a–d）CCS rGO气凝胶制造示意图。（a） GO和壳聚糖在水中的混合。（b） 定向冷冻以产生交联的GO网络。（c）冷冻干燥以获得CS-GO气凝胶。（d） 热退火以实现具有重构微观结构的CCS rGO。（e） 壳聚糖和GO在合成过程中的化学成分和相互作用。（f） 退火过程中GA和CS之间形成的化学交联。（g）不含壳聚糖的GO、（h）CS-GO和（i）CCS rGO气凝胶的微观结构。CS-GO和CCS-rGO气凝胶的（j和k）C 1s光谱和（l和m）N 1s光谱。（n） CS-GO和CCS-rGO气凝胶的FTIR光谱。（o） CCS rGO材料在单轴压缩下的变形图示。（p） CS-GO和CCS rGO的压缩应力-应变曲线。（q） 水在CCS rGO气凝胶上的大接触角。（r） 花瓣上轻盈的CCS rGO气凝胶的快照。
 
 
Fig 2. 横截面中平面微观结构转变的力学。（a–d）显微CT图像和（e–h）退火温度分别为25、140、180和220°C的微观结构SEM图像。（i） 3D插图和2D FEA模型。（j） t/t0=0.9时初始（灰色）和重构（黄色）微观结构的比较。（k） 半蜂窝结构在不同时间跨度下的热屈曲模拟结果。标签1-4分别表示t/t0值为0.3、0.6、0.9和1时的状态。（l） 加热后冷却的模拟结果。（m） 屈曲蜂窝结构（绿色）和屈曲结构（紫色）随温度变化的相图。（n） 归一化动能Ek/Ek的演变在不同温度下以时间比t/trend结束。
 

Fig 3. CCS rGO气凝胶的稳健定向机械传感性能。形态（a）在Z方向20000次压缩循环之前和之后。（c） 在0.1-0.5的εcomp范围内压缩的气凝胶的应力-应变曲线。（d） 不同加载速率下气凝胶的应力-应变曲线。（e） 当εcomp固定为0.3时，气凝胶在循环压缩下的应力-应变曲线。（f） 不同εcomp水平下的电流响应。（g） 在0-2.5 kPa的σcomp范围内的灵敏度。（h） 与εcomp和循环压缩相关的阻力变化。（i） εcomp为0.5时，20000次循环的电流稳定性。（j） 我们的压力传感器与现有传感器的灵敏度和最大压应力的比较。（k） 比较我们的压力传感器和其他还原氧化石墨烯气凝胶传感器的多个参数，包括经济指标、测试周期、最大压应力、最大压应变、灵敏度和响应速度（为确保每个参数的有益增长趋势的一致性，响应速度被视为负数）。
 

Fig 4. 基于CCS rGO气凝胶的多模式压力传感器，适用于不同场景。（a） CCS rGO简单测试单元（插入件）和手指弯曲的角电流响应。（b） 弯曲机构的等效二维模型。人体检测的当前信号，包括（c）面部表情，（d）脉搏，（e）说“交通”和“传感器”，以及（f）呼吸。（g） 用于操纵机器人手的手指传感器的配置。（h） 人机远程控制系统示意图。（i） 五个手指在不同的应变下，对应机器人手的手指同步手势。（j） 与四个手势相关的每个手指的模拟信号值。（k和l）基于CCS rGO气凝胶定制阵列的电子钢琴原型和产品。
 
      相关研究成果由西安交通大学Fei Chen，诺桑比亚大学Ben Bin Xu，阿尔伯塔大学Xuehua Zhang和加州大学洛杉矶分校Ximin He团队于2024年共同在线发表在《Nano Letters》期刊上，Microstructure-Reconfigured Graphene Oxide Aerogel Metamaterials for Ultrarobust Directional Sensing at Human–Machine Interfaces，原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c03706

转自《石墨烯研究》公众号