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  鄭州大學(xué)申長(zhǎng)雨院士和劉春太教授團(tuán)隊(duì)近日在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊上發(fā)表了題為“Superhydrophobic Electrically Conductive Paper for Ultrasensitive Strain Sensor with Excellent Anti-corrosion and Self-cleaning property”的研究論文。論文的第一作者為鄭州大學(xué)橡塑模具國(guó)家工程研究中心碩士研究生栗乾明，鄭州大學(xué)劉虎副教授為本文的通訊作者。

  紙的可再生、易降解和低成本等特性使其成為制備新型柔性傳感器的理想基材。但由于其在吸附水分后會(huì)發(fā)生濕膨脹與一定程度的降解，從而嚴(yán)重的制約了紙基傳感器在實(shí)際生活中的應(yīng)用。

  為此，申長(zhǎng)雨院士和劉春太教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)采用簡(jiǎn)便的浸涂工藝在復(fù)印紙上依次涂敷了CB/CNT導(dǎo)電層和Hf-SiO₂疏水層，成功制備了一種柔性超疏水導(dǎo)電紙基應(yīng)變傳感器。由于導(dǎo)電涂層與紙基間熱膨脹系數(shù)的差異，在樣品制備過(guò)程中產(chǎn)生了大量的微裂紋結(jié)構(gòu)。微裂紋結(jié)構(gòu)的構(gòu)建被認(rèn)為是提高此類(lèi)傳感器性能最為有效的手段。研究結(jié)果表明，該傳感器能夠檢測(cè)低至0.1％的超低應(yīng)變，在彎曲應(yīng)變范圍為0~0.7％時(shí)，傳感器的應(yīng)變因子為7.5，幾乎是傳統(tǒng)金屬傳感器的3倍；并且在1000次彎曲循環(huán)中顯示出優(yōu)異的穩(wěn)定性。同時(shí)，具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)和低表面能的超疏水Hf-SiO₂層賦予傳感器優(yōu)異的防水和自潔性能，改善了紙基傳感器在潮濕及其惡劣腐蝕環(huán)境下的響應(yīng)穩(wěn)定性。

圖1. (A) 超疏水紙基傳感器的制備示意圖。(B) CB/CNT@紙表面的SEM圖。(C) CB/CNT@紙表面的裂紋結(jié)構(gòu)。(D) Hf-SiO₂/CB/CNT@紙的橫截面SEM圖。

圖2. (A) 傳感器在不同應(yīng)變下的響應(yīng)行為。(B) 0.6%應(yīng)變下傳感器的1000個(gè)穩(wěn)定循環(huán)響應(yīng)。(C) 1000個(gè)循環(huán)后在不同彎曲條件下的傳感器表面水接觸角。

圖3. (A) 傳感器在不同pH溶液48h后的接觸角變化。(B) 傳感器在紫外照射、水流沖擊、熱處理后的接觸角變化。(C) 傳感器對(duì)多種液體的排斥性。

圖4. 超疏水紙基傳感器在人體監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，(A)手指彎曲（水滴滴落）、(B)肘部彎曲、(C)脈搏、(D)喉結(jié)。

  該研究為制備具有高性能的紙基傳感器提供了一種實(shí)用、簡(jiǎn)便的策略，所制備的傳感器在柔性電子、人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用前景。該研究提出的對(duì)紙基傳感器表面進(jìn)行超疏水處理的策略，對(duì)避免紙基傳感器易于發(fā)生濕膨脹/濕降解的不足具有重要的指導(dǎo)意義。

  該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (51803191, 11572290, 11432003)；中國(guó)博士后科學(xué)基金（2018M642782）；河南省博士后研究基金（001801007）；111計(jì)劃（D18023）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFB0101602）的大力支持。 

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b03421