隨著柔性器件和可穿戴設(shè)備的發(fā)展,柔性碳材料受到了各國(guó)研究人員的廣泛關(guān)注。盡管目前已發(fā)展多種方法獲得具有良好壓縮性、彈性的碳材料,但制備兼具高壓縮、高回彈、抗疲勞、寬范圍線性靈敏度的碳材料仍具很大的挑戰(zhàn)性。
MXene作為一種新型的納米二維片層材料,具有比表面積高、導(dǎo)電性好且機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì),在傳感、能量?jī)?chǔ)存、電催化和電磁屏蔽等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。但是,由于納米片之間缺乏足夠強(qiáng)的相互作用,導(dǎo)致構(gòu)建具有良好力學(xué)性能的MXene宏觀結(jié)構(gòu)材料具有很大的挑戰(zhàn)性。最近,華南理工大學(xué)鐘林新等人以MXene(Ti3C2)納米片為骨架材料、細(xì)菌纖維素(Bacterial Cellulose;BC)為納米連接材料制備了一種新型的彈性碳?xì)饽z(圖1)。由于BC具有很高的長(zhǎng)/徑比,在冷凍干燥過程中可通過相互纏繞將MXene片連接形成連續(xù)、有序的片層結(jié)構(gòu)。此外,BC之間以及BC和MXene之間的氫鍵作用增加了復(fù)合氣凝膠的機(jī)械性能。由于這些結(jié)構(gòu)特性,該碳?xì)饽z不僅具有超高的可壓縮性(壓縮極限為99%,相當(dāng)于完全壓縮)、彈性與抗疲勞性(50%應(yīng)變下,循環(huán)壓縮100000次后高度保留93.3%,應(yīng)力保留73.6%),而且具有寬范圍線性靈敏度(應(yīng)力和應(yīng)變線性范圍分別為0-10 kPa和0-95%)和對(duì)微小形變、微小壓力的超高檢測(cè)能力(應(yīng)力檢測(cè)極限為1.0 Pa)。將該碳?xì)饽z組裝成簡(jiǎn)易電子器件后,可實(shí)現(xiàn)對(duì)聲帶發(fā)聲、關(guān)節(jié)活動(dòng)和脈搏跳動(dòng)等人體生物信號(hào)的靈敏檢測(cè),顯示了在壓力傳感、可穿戴電子器件等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。相關(guān)論文發(fā)表在Chemistry of Materials,陳澤虹為該論文的第一作者,鐘林新、彭新文為共同通訊作者。
圖2表明,純MXene碳?xì)饽z為無(wú)序碎片結(jié)構(gòu)(圖2a),且壓縮性能差(圖2d)。以BC為納米材料連接MXene納米片時(shí),復(fù)合碳?xì)饽z形成了連續(xù)、有序的片層結(jié)構(gòu)(圖2c);該結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的壓縮性能(圖2f),在99%應(yīng)變下可循環(huán)壓縮超過100次,在50%應(yīng)變下循環(huán)壓縮100000后保持原來(lái)的高度,表現(xiàn)出了優(yōu)異的可壓縮性和抗疲勞性(圖3)。
得益于獨(dú)特的片層結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的機(jī)械性能,該碳?xì)饽z不僅靈敏度高、線性好、線性范圍廣(0-10 Pa線性靈敏度12.5 kPa-1),且對(duì)微小應(yīng)力檢測(cè)極限可達(dá)1.0 Pa,具有優(yōu)異的傳感性能(圖4)。組裝成簡(jiǎn)易傳感器后可對(duì)人體關(guān)節(jié)活動(dòng)、發(fā)音和脈搏等進(jìn)行靈敏檢測(cè)。
文獻(xiàn)鏈接:
Compressible,Elastic,and Pressure-Sensitive CarbonAerogels Derived from 2D Titanium Carbide Nanosheets and Bacterial Cellulosefor Wearable Sensors.Chem.Mater.2019,31,9,3301-3312