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黄维/朱纪欣Nature子刊:超高超弹性、温度敏感的3D打印多模态智能器件

学术动态    2022-12-24 14:16

DOI: 10.1038/s41467-022-31051-7

 

水凝胶在柔性传感器中得到广泛的研究,具有可穿戴电子学器件的应用前景。水凝胶的发展和利用受到模糊的传感机理限制,因此,目前在价格、集成、器件制备等方面来看,构建基于柔性电子学器件的多功能传感体系仍存在困难和挑战。近日,西北工业大学黄维、中国科学技术大学朱纪欣等开发了一种具有价格优势、特定结构、场景的柔性传感器,通过3D墨水打印的方法构建了结合2D MXene与水凝胶化学键连接的传感器,实现了优异的应力和温度传感。

 

图1 MXenes和水凝胶的合成。

 

通过简单和具有价格优势的3D打印技术,进行直接墨水打印和溶剂替换,制备具有特定结构和特定应用场景的PU/PVA水凝胶-MXene传感器,表现了优异的应力传感/温度传感能力。在0-80 ℃区间,这种传感器实现了5.7的规管系数GF(Gauge factor)(0-191 %的应力变化区间),较高的温度灵敏度(-5.27 % ℃-1)。通过有限元理论分析方法研究传感器的机理,首次通过原位变温拉曼表征,研究了水凝胶传感器由于热致隧道效应(thermal-induced tunneling effect)的温度响应机理。该器件具有较好的灵敏度和较宽的工作区间,不仅能够基于应力响应监控人体的运动,而且能够对具有形状记忆能力的太阳能电池板铰链精确的温度传感。

 

图2:材料的形貌和结构。

 

图3打印水凝胶的应变传感性能。

 

图4:打印传感器的温度响应。

 

图5:温度监测系统的搭建与运行。

 

 

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