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  三維多孔MXene氣凝膠因其重量輕、導電性高、機械柔韌性好等優異的特性，在傳感器、電子皮膚、可穿戴設備、隔熱、能量轉換等領域具有廣泛的應用前景。然而，單純的MXene氣凝膠力學性能較差，難以適用于實際，并且在不斷變化的環境條件下同時保持超彈性和優異的壓阻效應仍然是一個挑戰。首先合成的氣凝膠的機械性能是其作為可靠以及耐久的傳感器的基本要求。再者材料的選取以及多尺度對氣凝膠進行設計使氣凝膠傳感器具有良好的傳導性能，耐久性，高低頻檢測性能等機電響應性能，并且實現了疏水和高低溫環境下穩定的附加功能。

  在此, 中國科學院福建物質結構研究所官輪輝研究員團隊以海藻酸鈉(SA)為MXene納米片的粘結劑，以聚二甲基硅氧烷(PDMS)為補強劑，制備了具有高導電性、優異的回彈性、可靠的隔熱性能和良好的疏水性的SA/MXene/PDMS (SMP)復合氣凝膠。MXene納米片與SA之間的相互作用增強了氣凝膠的3D網絡框架。采用改進的定向冷凍法制備的具有層-支網絡結構的氣凝膠具有重量輕、靈敏度高(37.43- kPa-1)、顯著的可逆性壓縮(70%)和優異的抗疲勞性能(60000次循環)等特點。基于SMP復合氣凝膠的壓阻式傳感器可以快速響應壓力/應變信號，可進一步用于人體運動監測、和人體健康監測。此外，該MXene氣凝膠傳感器可以檢測低到高頻的振動信號（0.5-900Hz），使其在旋轉機械速度檢測、懸臂梁振動檢測、懸臂梁的無損檢測以及其他工程應用中發揮作用。由于其層狀孔隙結構和PDMS的輔助，氣凝膠還具有較大的水接觸角(119°)和極端的環境適應性(-40至80℃)，使其更能適用于實際應用。

【SA/MXene/PDMS (SMP)氣凝膠的合成表征與機械性能】

圖1. SA/MXene/PDMS (SMP)氣凝膠的合成與機械性能。

【SMP氣凝膠的機電響應性能】

圖2. SA/MXene/PDMS (SMP)氣凝膠的機電響應特性。

【SMP氣凝膠傳感器的多功能應用】

圖4. SA/MXene/PDMS (SMP)氣凝膠的人體健康監測應用以及電子皮膚應用。

【SA/MXene/PDMS (SMP)氣凝膠的環境穩定性】

圖5. SA/MXene/PDMS (SMP)氣凝膠的環境穩定性。

  綜上所述，采用雙梯度冷凍鑄造和冷凍干燥的方法制備了層狀、輕質、導電的SMP氣凝膠。該氣凝膠不僅具有0.05g cml的低體積密度，而且具有優異的壓縮回彈性(70%應變)。使用該氣凝膠構建的壓阻式傳感器在高達50 kPa的寬壓力范圍內表現出令人印象深刻的壓力靈敏度(37.4 kPa)和應變GF值(435)，在超過60,000次循環測試后具有出色的穩定性。由于碳基導電材料的頻率響應特性，該傳感器可以檢測從低到高頻(0.5 ~ 900 Hz)的振動信號。可用于實現人體運動的實時監測和健康疾病診斷。同時也可用于工程結構的振動檢測和設備的無損檢測。此外，氣凝膠獨特的內部層-分支多孔結構，加上PDMS的引入，提供了出色的隔熱和疏水性(水接觸角119，使其能夠承受高低溫操作環境(-40至80℃)。憑借這些特點，這種氣凝膠在各種領域顯示出巨大的潛力，包括可穿戴設備，電子皮膚和工程應用等。

  該研究以題為“Multifunctional, Superelastic, and Environmentally Stable Sodium Alginate/MXene/Polydimethylsiloxane Aerogels for Piezoresistive Sensor”的論文發表在《Chemical Engineering Journal》上。文章第一作者是福州大學機械學院-中科院福建物構所聯合培養博士韓松久。通訊作者為中科院福建物構所的黃建仁博士和官輪輝研究員。

  該工作得到國家自然科學基金的資助。福州大學機械學院楊曉翔教授對該研究提供了幫助和指導。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144551

  官輪輝研究員課題組網站：https://www.x-mol.com/groups/Guan_lunhui