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  南京工業大學董曉臣教授和黃維院士課題組將MXene引入PVA / PVP水凝膠網絡，制備了可拉伸的柔性應變傳感器，其具有優異的力學性能和傳感性能，可以對多種生理活動進行實時監控，以“Highly Stretchable, Elastic and Sensitive MXene-based Hydrogel for Flexible Strain and Pressure Sensors”為題發表在Research上 (Research, 2020, 2038560)。

  近年來，電子皮膚因其與人體皮膚相似的拉伸性和傳感性能引起人們廣泛關注。其中，可以將生理信號轉化為電信號的柔性應變傳感器，在柔性觸摸屏、健康臨床監測、工業機器人等方面表現出巨大潛力。但有限的拉伸性能和低靈敏度嚴重阻礙了它們在柔性應變傳感器中的實際應用。

  水凝膠是一種包含大量水或離子液體的三維網絡，因其出色的可拉伸性、柔韌性和生物相容性而被廣泛用于柔性應變傳感器。但是，由于交聯度有限且粘度較高，單網絡水凝膠的機械性能和穩定性相對較差，制備兼具高拉伸性和高靈敏度的柔性可穿戴應力傳感器仍面臨巨大挑戰。

  南京工業大學董曉臣教授和黃維院士課題組報道了一種基于MXene-雙網絡水凝膠的高拉伸、高彈性、高靈敏的多功能柔性傳感器。有效能量消散機制的引入，構建的雙網絡水凝膠大大提高了傳感器的機械性能；引入親水性MXene形成穩定的三維導電網絡，大大提高了傳感器的傳感性能（圖1）。

圖1 MXene復合雙網絡水凝膠的合成示意圖

  MXene納米片表面大量的官能團（-OH，-F，-O等）可以與高分子鏈之間形成氫鍵，從而大幅提高水凝膠的拉伸性和韌性，并進一步提高其機械強度（圖2a）；圖2（b）表明：MXene納米片的加入可以構建高度交聯的導電網絡，顯著改善傳感器的靈敏度，但過量MXene也會導致GF的降低。因此，雙網絡水凝膠中MXene的最佳含量為1%左右；圖2（c）表明：在0-120％的應變范圍內，應變傳感器靈敏度隨著應變的增加呈現三段式的增加；圖2（d-f）表明制備的壓力傳感器具有靈敏度高(GF = 10.75)、響應速度快和檢出限低等特點。

圖2 MXene復合雙網絡水凝膠的力學性能和傳感性能

  優異的機械性能和傳感性能使其可用于識別較寬范圍內的人體運動（圖（3））,例如膝蓋彎曲，呼吸和脈搏跳動。

圖3 人體運動信號檢測

  由于該壓力傳感器具有靈敏度高、傳感范圍廣、響應時間短、檢測限制小等優點，可以應用于微刺激檢測和特征壓力檢測。如圖4中的“摩斯密碼”、“帕金森震動模擬”和書寫筆記的鑒定等。為了使傳感器可以用于大規模不均勻壓力監測,作者制備了5*5點陣器件，可以有效地顯示壓力的分布，在人機交互或其他實際應用中顯示出巨大的潛力。

圖4 壓力傳感器的應用

  作者將二維導電材料MXene加入到PVA/PVP雙網絡水凝膠中，成功構建了具有優異機械性能的高靈敏MXene復合雙網狀水凝膠傳感器。該傳感器可以實現對人體活動的多種生理刺激的實時監控，例如膝蓋彎曲、手指彎曲、脈搏跳動、語音、脈沖振動以及健康診斷等，它還可以進一步組裝成壓力傳感器的復雜矩陣，在人機交互、健康診斷和可穿戴電子設備方面具有良好的應用前景。

  原文鏈接：https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/2038560/