大連工業大學王海松教授課題組 Carbohyd. Polym./Chem. Eng. J.：在植物纖維基柔性傳感系統取得新進展
2023-05-10 來源：高分子科技
隨著人工智能以及物聯網在現實生活中的逐步普及，可穿戴柔性傳感器因其簡單的制造工藝和成熟的信號處理技術引起了廣泛關注。同時，難以回收或降解的電子廢棄物、較低的靈敏度和有限的檢測范圍嚴重阻礙了其實際應用。因此，可再生、可折疊、可降解、低成本、高靈敏度的植物纖維基柔性傳感成為目前可穿戴器件領域的研究熱點。然而，傳統的植物纖維基材料自身的親水性和低導電性極大地限制了在柔性傳感器件領域的多功能化應用；诖，通過結構設計改善植物纖維基傳感器的靈敏度和導電性，并應用于摩擦電納米發電機、超級電容器和傳感器組成的柔性集成傳感微系統具有重要意義。
近日，大連工業大學生物基纖維材料與造紙化學品王海松教授團隊，以可再生可降解的植物纖維為主要原料，多層石墨烯為導電填料，通過創新結構設計和缺陷修補策略構筑了高靈敏度柔性傳感系統，相關論文分別發表在生物材料領域學術期刊Carbohydrate Polymers（中科院一區，IF=10.723）和化工領域學術期刊Chemical Engineering Journal（中科院一區，IF=16.744），王海松教授和杜健副教授為通訊作者，贠童童博士和岳嘉繼博士分別為第一作者。
圖1. 由人體皮膚結構啟發的具有“微裂紋-支架”結構的超靈敏柔性壓力傳感器
圖2. 植物纖維基柔性傳感器在彎曲方向的應力傳感性能
圖3.傳感器在肢體行為實時監測和電子皮膚中的應用前景
另外，為了修復傳統的還原氧化石墨烯制備過程中形成的形態缺陷，設計了一種簡單有效的利用碳化金屬-有機骨架(CMOF)修復的新方法。缺陷區域固定的CMOF充當了電子快速通過的橋梁，提高了還原氧化石墨烯對負載機械能的耐受性。含缺陷修補后的還原氧化石墨烯的水凝膠不僅具有良好的力學性能(如抗拉強度為195 kPa)和高電導率(2.42 S/m)，組裝成摩擦納米發電機、超級電容器和傳感器器件時，展現出增強的電輸出性能。更重要的是，該傳感器具有較高的靈敏度(GF為14.68，響應時間短為40 ms)，能夠有效識別復雜的人體活動，并能在較窄的范圍內準確檢測皮膚的溫度波動。作為概念驗證，由電源、儲能和傳感單元組成的一體化柔性智能微系統證明了可穿戴電子在檢測和識別人體表情、運動和生理信號方面的兼容性和可行性。
圖4. 氧化石墨烯修補示意圖和集成柔性自供電傳感微系統的設計概念
圖5. 柔性自供電傳感微系統在人體活動監測中的應用
原文鏈接：
1. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.120898
2. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143358.
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（責任編輯：xu）
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