传感器|MXenes 将水凝胶传感器的性能提升到新的极限传感器

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可穿戴电子设备、即时测试和软机器人技术的发展需要高度敏感、可拉伸、能够顺应地粘附到任意和复杂表面的应变传感器，并且最好是可自我修复的。导电水凝胶作为这些应用的传感材料具有很大的前景。然而，它们的灵敏度通常较低，并且由于它们的粘弹性特性而受到信号滞后和波动的影响，这会损害它们的传感性能。我们证明了包含MXene (Ti3C2Tx)的水凝胶复合材料的性能优于所有报道的用于应变传感器的水凝胶。获得的复合水凝胶[MXene基水凝胶(M-hydrogel)
表现出出色的拉伸应变敏感性，应变系数(GF)为25 ，是原始水凝胶的10倍。此外， M-水凝胶具有超过3400%的显着拉伸性、瞬时自愈能力、优异的贴合性以及对包括人体皮肤在内的各种表面的粘附性。 M-水凝胶复合材料在压缩应变（GF为80）下比在拉伸应变下表现出更高的灵敏度。我们利用这种不对称应变敏感性与粘性变形（自恢复残余变形）相结合，为水凝胶的传感能力增加了新的维度。因此，可以方便地检测水凝胶表面运动的方向和速度。基于这种效应， M-hydrogel在先进的传感应用中表现出卓越的传感性能。因此，水凝胶传统上不利的粘弹性特性可以转化为传感优势，这揭示了水凝胶传感器的前景。

图1 M-水凝胶的表征。
(A) MXene纳米片的透射电子显微镜(TEM)；右上为典型纳米片的HRTEM图像，右下为对应的快速傅里叶变换（FFT）。 (B)展示M-水凝胶可拉伸性的照片。 (C)描绘M水凝胶自愈能力的照片：两片切割片（上），轻轻触摸一次（中），并显示M水凝胶的原始拉伸性保持不变（下）。 (D) M-水凝胶的TEM图像。 (E)基于(D)和(F)中的整个区域的3D断层扫描图像，在(E)中用红色框标记的选定体积的放大3D断层扫描图像。

图2 M-水凝胶复合材料的机电性能及机理。
(A到F) M-水凝胶对(A)拉伸应变和(B)压缩应变的电响应，插图显示了相应的GF；M-水凝胶表面(C)拉伸前和(D)拉伸后的扫描电子显微镜(SEM)图像；(E和F) M-水凝胶的机电响应机制示意图。重量％，重量％。

图3 M-水凝胶对表面运动的感知能力。
M-水凝胶响应其表面运动的电阻变化（A）垂直于电流方向和（B）平行于电流方向。 (C)解释M-水凝胶的运动方向传感能力和相应结果的实验装置。 (D)运动速度传感示意图。 (E) M-水凝胶和原始水凝胶之间的速度传感结果比较。 (F) M-水凝胶响应不同运动速度的运动传感。

图4 M-水凝胶的一般传感性能。
(A到E) M-水凝胶响应(A)手指弯曲、(B)不同手势、(C)人体脉搏和(D和E)面部表情的电阻变化。

图5 M-hydrogel的先进传感应用。
(A)签名感应示意图。 (B到D)不同志愿者写的(B)签名和(C和D) OK的阻力变化。 (E)语音感知示意图。（F到H）电阻会随着发音相似的字母“B”、“D”和“E”而变化。