基于二維碳化物和氮化物（MXene）的復合導電氣凝膠由于其3D網絡微結構和優(yōu)異的導電性而被廣泛研究應用于可穿戴傳感器。如何實現(xiàn)精細的圖案化修飾，并且兼具導電性和機械柔韌性是當前MXene復合導電氣凝膠材料在高分辨?zhèn)鞲袘弥械碾y點。

注：MXenes為2D材料家族添加了眾多新成員，以金屬導體為主，而目前2D材料大多數(shù)是電介質、半導體或半金屬。通過利用MXenes的可調特性，人們可以使用增材制造或其他涂層和加工技術，從2D納米片中構建從晶體管到超級電容器、電池、天線和傳感器等各種器件。MXenes已經顯示出各種電子、光學、化學和機械性能，并且已經提出了MXetronics（全MXene光電子學）的概念。

據麥姆斯咨詢報道，近日，浙江大學生物醫(yī)學工程與儀器科學學院梁波研究員、葉學松教授團隊利用銅離子輔助電凝膠化技術制備了具有可控圖案化特性的三維多孔Ti3C2Tx MXene/PEDOT:PSS復合氣凝膠（MPCA）。該項研究工作以“3D MXene/PEDOT:PSS Composite Aerogel with Controllable Patterning Property for Highly Sensitive Wearable Physical Monitoring and Robotic Tactile Sensing”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。浙江大學博士研究生張珊珊，屠婷婷為論文共同第一作者，梁波研究員和葉學松教授為通訊作者。

通過用該方法制備的復合氣凝膠傳感器可以用于手指彎折、呼吸、吞咽、咀嚼、說話和肌力信號的可穿戴實時監(jiān)測，以及機器人觸覺中的高分辨率傳感應用，使機械手像人類手指一樣精確感知盲文（圖1）。

圖1 Ti3C2TxMXene/PEDOT:PSS復合氣凝膠用于可穿戴式物理監(jiān)測和機器觸覺傳感

研究人員首先對MXene/PEDOT:PSS復合氣凝膠的制備原理進行了探究。MXene與PEDOT:PSS之間的多重相互作用使MPCA具有穩(wěn)定的三維導電網絡，從而提高了MPCA的機械柔韌性和壓阻性能。并且通過控制電凝膠的參數(shù)和時間，可以在不同圖案化的導電基底上實現(xiàn)復合水凝膠/氣凝膠的高精度、高分辨圖案化修飾（圖2）。

圖2 MXene/PEDOT:PSS復合氣凝膠的電凝膠化原理和可控修飾

基于MPCA良好的導電性和機械柔性，通過該方法所制備的壓阻型壓力傳感器實現(xiàn)了較高的靈敏度（0-2kPa范圍內為26.65kPa?1）、快速響應能力（106ms）和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，可以用于手指彎折、呼吸、吞咽、咀嚼、說話和肌力信號的實時監(jiān)測（圖3）。

圖3 基于復合氣凝膠的壓力傳感器對人體不同物理信號的實時監(jiān)測

最后，利用電凝膠化制備方法的可控圖案化特性，在1cm x 1cm平面內成功制備了6 x 6的高分辨率的壓力傳感器微陣列，以用于人工觸覺界面。該陣列可以覆蓋在機器人指尖上，直接識別來自人類手指的觸覺刺激，并且通過繪制壓力分布圖可以直觀的顯示出手指觸碰時力的大小和位置，還可以使機械手像人類手指一樣實現(xiàn)對盲文字母的精確識別（圖4）。

圖4 基于復合氣凝膠的傳感器陣列用于機器觸覺傳感

該項研究所提出的基于電凝膠法制備的MXene/PEDOT:PSS復合氣凝膠具有顯著的綜合性能，特別是高靈敏度的傳感性能和可控的圖案化性能，為導電水凝膠/氣凝膠材料在可穿戴電子領域的微型化應用提供了新的方法。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsami.2c03350

審核編輯 ：李倩