川大雷景新教授團(tuán)隊(duì)江亮/雷元 AFM：通過多級(jí)強(qiáng)弱動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)低應(yīng)變下的高應(yīng)變響應(yīng)和可回收傳感器
電阻應(yīng)變傳感器因其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、易于制造和可靠的傳感性能，在柔性傳感技術(shù)中的實(shí)際應(yīng)用中受到廣泛關(guān)注。典型的電阻應(yīng)變傳感器是通過將高導(dǎo)電性填料（如碳納米管、導(dǎo)電炭黑、MXene、石墨烯等）與彈性聚合物基底結(jié)合而構(gòu)建的。然而，經(jīng)均勻分散后的MXene、碳納米管、石墨烯等具有良好的接觸性，在非常低的應(yīng)變下不容易破壞導(dǎo)電通道（如圖1a），這給準(zhǔn)確檢測(cè)微小應(yīng)變帶來了挑戰(zhàn)。相比之下，導(dǎo)電炭黑在施加的低應(yīng)變下很容易破壞導(dǎo)電通路，可以顯著提高應(yīng)變傳感器的靈敏度（如圖1a）。因此，設(shè)計(jì)一種可回收的應(yīng)變響應(yīng)式傳感器，同時(shí)在低應(yīng)變水平下兼具高靈敏度、優(yōu)異的機(jī)械性能和成本效益，仍然是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。
近期，四川大學(xué)高分子研究所、高分子材料工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（四川大學(xué)）的雷景新教授團(tuán)隊(duì)將導(dǎo)電炭黑與具有多層次強(qiáng)弱動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的丙烯酸樹脂相結(jié)合，研制出了一種低應(yīng)變下具有高應(yīng)變響應(yīng)的可回收傳感器（PAV/Cu2+-CB-x），如圖1b所示。此外，分子動(dòng)力學(xué)模擬顯示（如圖1c-d），分子結(jié)構(gòu)中存在多種強(qiáng)弱動(dòng)態(tài)鍵：較弱的配位鍵和氫鍵賦予了這種傳感器對(duì)微小應(yīng)變的超常靈敏度，而較強(qiáng)的離子鍵則確保了其卓越的機(jī)械性能。具體表現(xiàn)為：PAV/Cu2+-CB-30的抗拉強(qiáng)度為7.16兆帕，斷裂伸長(zhǎng)率為355.50%，具有優(yōu)異的再加工穩(wěn)定性，同時(shí)還具有0.294 S cm-1的高電導(dǎo)率，在低于5%的應(yīng)變下具有出色的靈敏度。
圖1. (a) 碳納米管、MXene和導(dǎo)電炭黑基復(fù)合材料在外力作用下導(dǎo)電通路斷開的示意圖。(b) PAV/Cu2+-CB-x復(fù)合材料的合成路線示意圖。(c) 基體樹脂的動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型中丙烯酸和丙烯酰胺鏈段之間氫鍵作用示意圖。(d) 添加導(dǎo)電炭黑復(fù)合材料的動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型示意圖。
所設(shè)計(jì)的PAV/Cu2+-CB-30具有獨(dú)特強(qiáng)-弱動(dòng)態(tài)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)，在較小應(yīng)變下，較弱的配位鍵和氫鍵能夠發(fā)生快速的重復(fù)斷裂和鍵合，而較強(qiáng)的離子鍵則充當(dāng)固定錨點(diǎn)，確保了其卓越的機(jī)械性能，能夠應(yīng)用于應(yīng)變傳感器。同時(shí)，憑借高炭黑負(fù)載量和響應(yīng)微小應(yīng)變的分子網(wǎng)絡(luò)，PAV/Cu2+-CB-30應(yīng)變傳感器展現(xiàn)出卓越的電學(xué)性能，包括高導(dǎo)電性（0.294 S cm-1）和在極低應(yīng)變（低于5%）下的出色靈敏度（GF=8.24）。這些優(yōu)異的電學(xué)性能使傳感器能夠準(zhǔn)確檢測(cè)細(xì)微的活動(dòng)（如圖2所示），如語音、喉部肌肉運(yùn)動(dòng)以及關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)（例如，手指、腕部和膝部），尤其是在佩戴于喉部和關(guān)節(jié)時(shí)。因此，所設(shè)計(jì)的PAV/Cu2+-CB-x應(yīng)變傳感器在未來的人體運(yùn)動(dòng)分析和語音檢測(cè)應(yīng)用中具有巨大的潛力。
圖2. (a) PAV/Cu2+-CB-x復(fù)合材料的電導(dǎo)率。(b) PAV/Cu2+-CB-30的電阻恢復(fù)過程。(c) 在不同應(yīng)變（0.1%、0.5%、1%和5%）下PAV/Cu2+-CB-30傳感器的實(shí)時(shí)相對(duì)電阻變化時(shí)間曲線。(d) 在5%應(yīng)變下PAV/Cu2+-CB-30傳感器50次循環(huán)的穩(wěn)定性測(cè)試。(e-h) PAV/Cu2+-CB-30傳感器應(yīng)用于不同身體部位檢測(cè)。
研究成果以“Designing Highly Strain-Responsive and Recyclable Sensors Via Multilevel Strong and Weak Dynamic Structures Under Low Strain”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》（doi.org/10.1002/adfm.202419308）上。論文第一作者為四川大學(xué)碩士研究生楊天泰，通訊作者為四川大學(xué)江亮副研究員和雷元副研究員。本工作得到中國博士后面上基金、四川省青年科學(xué)基金和四川省先進(jìn)建筑材料產(chǎn)教融合創(chuàng)新示范平臺(tái)等項(xiàng)目的資助支持。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202419308