在現代醫學中,對動脈脈搏波形的實時、無創監測,可診斷與動脈硬化,高血壓,糖尿病等相關的心血管問題。此外,由于熱和冷應激可影響血管的收縮和舒張,導致動脈硬度和徑向壓力的變化,在檢測和分析動脈脈壓波形的過程中同時監測人體體溫的變化,具有重要意義。因此,急需發展具有高靈敏度,高分辨率,以及在人體生理溫度范圍內(30-40 ℃)對溫度和壓力刺激信號具有高辨別性的可穿戴多重傳感器,以便應用于實時監測人體生理和健康狀態。
近期,南開大學梁嘉杰教授團隊利用二維過渡金屬碳化物MXene與半結晶聚氧化乙烯(PEO)復合組裝,制備具有相互獨立的壓阻效應(piezoresistive)和熱阻效應(pyroresistive)的壓力-溫度雙重傳感氣凝膠材料。該氣凝膠材料具有獨立雙通道傳感結構:一方面,半結晶PEO插入MXene片層間形成對溫度響應的可壓縮的多級層狀孔壁結構。當受溫度刺激時,半結晶PEO在30-40 ℃溫度區間內熔融,并在納米限域效應下在MXene層間流平,減少MXene層間距,通過隧穿效應減低電阻,產生溫阻效應,使氣凝膠具有高達-10.0% / ℃的負電阻溫度系數以及高達0.2 ℃的溫度響應精度。另一方面,柔性多孔孔壁結構具有大長徑比,受力容易產生彎曲形變,產生壓阻效應,使氣凝膠可檢測0.05 Pa的壓力信號,壓力傳感靈敏度高達777 kPa-1。這種獨特的雙傳感通道設計使得MXene/PEO氣凝膠對壓力和溫度雙重刺激信號具有高精度的分辨性。利用MXene/PEO氣凝膠組裝可穿戴傳感器件,可檢測出具有不同重量和溫度的水滴,還可以檢測出人體在不同體溫狀態下的動脈脈壓波形的特征峰變化情況。該工作以“Highly Sensitive Temperature–Pressure Bimodal Aerogel with Stimulus Discriminability for Human Physiological Monitoring”為題發表在《Nano Letters》上(Doi: 10.1021/acs.nanolett.2c01145)。文章第一作者是南開大學碩士生吳錦華,通訊作者為梁嘉杰教授和紀欣宜博士。
圖1. MXene/PEO氣凝膠的結構和雙重傳感機理圖
該工作是梁嘉杰團隊今年在響應性氣凝膠傳感材料設計與制備的研究中取得的又一進展。該工作是在具有高靈敏度的壓力傳感氣凝膠結構基礎上(Nature Communications 2022, 13, 1119;Matter 2022, 5, 1547)的進一步突破,實現了高敏度、高分辨的壓力-溫度雙傳感氣凝膠材料。近年來,梁嘉杰團隊一直從事多功能納米復合材料的制備與柔性電子皮膚的構筑的研究。設計高性能觸覺傳感材料,發展高靈敏傳感機制,實現高效的柔性傳感器件構筑,是柔性電子皮膚領域發展面臨的重要挑戰。針對此,團隊基于高分子流變學Doi-Edwards理論,發展一系列可印刷高分子納米傳感復合材料,通過先進印刷打印技術構建可穿戴傳感和功能器件整列(Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1804479;Adv. Energy. Mater. 2019, 9, 1803987;Adv. Energy. Mater. 2020, 10, 1903794;Adv. Mater. 2018, 30, 1804165)。此外,團隊提出了多重界面與多級結構協同策略,發展了一系列高性能的高分子納米復合傳感材料,實現了應變、壓力、溫度等觸覺傳感性能的在靈敏度、檢測限、檢測精度、以及使用壽命上的重要突破(ACS Nano 2019, 13, 649; Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1800850; Mater. Hori. 2021, 8, 250;ACS Nano 2019, 13, 8124;Nano Lett. 2022, 22, 3784)。團隊還深入探索了觸覺傳感機理,提出“電子-熱電子”傳感機制,制備了雙響應納米復合材料,實現對“應變-溫度”雙重觸覺獨立響應性(Nano Lett. 2020, 20, 6176)。
原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c01145
梁嘉杰博士簡介
梁嘉杰,南開大學材料科學與工程學院教授,博士生導師。2011年博士畢業于南開大學高分子研究所;隨后加入美國加州大學洛杉磯分校從事博士后研究工作;2014年加入美國Polyradiant公司;2016年加入南開大學材料科學與工程學院開展獨立工作,建立柔性印刷功能器件實驗室。梁嘉杰教授一直致力于研究高分子納米復合材料及其在柔性印刷功能器件的構建和集成中的應用。研究領域涵蓋高分子化學與物理、材料科學與工程、化學、電子工程學以及物理學等眾多交叉學科。近年來發表論文40多篇,包括Nature Photonics, Nature Communications, Matter, Advanced Materials, Nano Letters等國際著名期刊雜志,其中8篇入選ESI Top 1%高被引論文,論文他引8800多次。入選國家級青年人才項目,天津市中青年科技創新領軍人才,并獲天津市杰出青年基金。
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