强健超弹的蜘蛛网状聚酰亚胺纤维基导电复合气凝胶用于极端温度下的线性压力传感器（英文）

压力传感器是人工触觉感应的基石.尽管人们对高性能压力传感器进行了广泛的研究,但解决传感器的高灵敏度、宽线性响应范围和宽工作温度范围仍然面临巨大挑战.在此,我们创新性地应用三乙胺实现了疏水聚酰亚胺纤维(PIFs)在碳纳米管(CNT)水溶液中的均匀分散,同时纤维的结构不会受到破坏,并利用冻干和热酰亚胺化技术制备了强健超弹的蜘蛛网状(PIF/CNT)导电复合气凝胶.该气凝胶作为压力传感器具有宽线性感应范围(0.01-53.34 kPa)、超低检测限(10 Pa)、高灵敏度(0.507 kPa^-1)、快速响应/恢复时间(85/80 ms)、稳定的快速压缩响应(500 mm min^-1)和优异的抗循环疲劳能力(5000次)等优异的传感性能.有限元分析表明,多级纤维网络有利于相邻的导电纤维之间的接触面积在外部压力下有明显的线性变化,使之表现出优异的线性传感性能.该传感器可用于人体生理和运动信号检测、电子皮肤和智能控制,且在极端温度(-100-300℃)下表现出出色的传感稳定性和热绝缘性,可用于极端太空环境下太空服和月球/火星栖息地充气结构的传感单元.本工...     

高强度耐低温纳米纤维素/聚乙烯醇导电复合水凝胶制备及其在柔性传感中的应用

纳米纤维素具有大长径比、较高的弹性模量与比表面积及丰富的表面官能团,是一种优良的纳米增强材料。首先以纳米纤维素(CNFs)为分散介质辅助分散MXene纳米片层,制备CNF-MXene纳米复合物,并通过FTIR与XPS分析CNFs与MXene的相互作用。以此复合物为增强填料,聚乙烯醇(PVA)为基底,制备CNF-MXene/PVA复合水凝胶,进一步通过KOH溶液处理,提高复合水凝胶的力学性能,并赋予复合水凝胶优异的离子导电性。该复合水凝胶表现出优异的力学性能,其拉伸强度与断裂伸长率分别达到255.9 kPa与1098.2%,还具有高电导率(2.38 S/m)、一定的抗冻性能与灵敏的应变/压力响应性。基于该复合水凝胶组装的应变/压力柔性传感器,由于具有极低的检测极限质量(100 mg)与极快的响应时间(225 ms),可以监控脉搏跳动与喉咙发声微小震动引起的压力变化。因此,该复合水凝胶基柔性传感器非常有希望应用于未来新一代可穿戴电子、人机交互等领域。      

阳离子纤维素纳米纤维分散液态金属制备高灵敏度和自修复导电水凝胶用于应变传感器（英文）

作为一种多功能软填料,液态金属(LM)乳液为制备基于导电水凝胶的多功能应变传感器带来了新机遇.然而,界面张力和密度巨大的LM难以以稳定乳液的形式存在.本文中,我们展示了一种利用阳离子纤维素纳米纤维(CCNFs)包覆LM液滴来稳定LM乳液的策略.通过将CCNF稳定的LM乳液与丙烯酸(AA)混合并引发其原位聚合,以及在聚丙烯酸(PAA)、LM液滴和CCNF之间形成可逆的氢键、离子配位键和静电交联,制备了一种导电水凝胶CCNF-LM-PAA.得益于PAA与CCNF之间形成的可逆氢键、离子配位键和静电结合作用,CCNF-LMPAA水凝胶具有良好的导电性(1.54 S m^-1)、较高的拉伸强度和断裂伸长率、粘附性和快速自愈合能力.CCNF-LM-PAA水凝胶作为应变传感材料,具有超高应变灵敏度(应变系数高达16.2)、低应变检测极限(<1%)、短响应/恢复时间(107/91 ms)和良好的耐用性(300次循环).这些性能使得基于CCNF-LM-PAA水凝胶的应变传感器能够作为可穿戴电子器件用于监测各种人体活动.因此,利用CCNF稳定LM乳液引入静电结合作用,为提高基于...     

基于离子交联复合水凝胶的易制备、高性能的可穿戴应变传感器

可响应多种机械激励模式且具有较高灵敏度的柔性传感器在电子皮肤、健康监测等领域具有重要意义.而模仿皮肤的多信号响应,如应变和温度,仍然是一个重要的挑战.因此,本文设计了具有韧性与导电性的多功能离子交联水凝胶.通过将丙烯酰胺与N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵交联,可制备出具有高力学强度特性的化学凝胶,交联时加入Ca^(...     

具有超高灵敏度、宽工作范围、低检测限的3D气凝胶可穿戴压力传感器用于语音识别和生理信号监测（英文）

随着智能电子设备的快速发展,对同时具有超高灵敏度、宽工作范围、低检测限的可穿戴压力传感器的需求越来越大.本文开发了一种基于超轻(29.5 mg cm^-3)和弹性的3D壳聚糖/MXene (CS/MXene)复合气凝胶的压阻式压力传感器.由于CS和MXene之间的强静电吸引力,具有良好机械性能的CS/MXene气凝胶只需一步冷冻干燥即可获得,无需额外的化学处理.CS/MXene复合气凝胶压力传感器在小压力区(<1 kPa)和大压力区(1-20 kPa)的灵敏度分别为709.38和252.37 kPa^-1.在此压力范围下,其灵敏度是目前报道的同类型气凝胶压力传感器的最高值.此外,该传感器具有快速的响应时间(<120 ms)、1.4 Pa的超低检测限以及10,000次循环后几乎无衰减的良好稳定性.以上出色的性能不仅使得该传感器可用于检测肢体活动和空间压力分布等较大幅度的压力信号,而且还能准确检测脉搏、语音等微小压力信号.这种多功能的柔性压力传感器极大地拓宽了可穿戴电子器件在语音识别、健康监测和人机交互等诸多领域的应用范围.     

基于聚丙烯酰胺有机凝胶的柔性可变色应变传感器

柔性应变传感器在可穿戴医疗设备、电子皮肤等领域具有广泛的应用前景,然而传统柔性应变传感器只能输出电信号,缺乏对应力应变的直接可视化响应,限制了其在应力预警、健康监测等方面的应用。本文以柔性透明银纳米线(Silver nanowire,AgNW)/硅橡胶薄膜为电极,以浸渍有机电致变色染料和锂离子的聚丙烯酰胺有机凝胶(Polyacrylamide,PAAm)为变色单元,成功制备了一种具有三明治结构的柔性可变色应变传感器。研究结果表明,该PAAm传感器具有优异的拉伸和压缩回弹性及中等应变响应性能(响应灵敏度为0.7),此外它可在外力作用下产生颜色变化,实现对应变的可视化响应。该传感器在交互式可穿戴设备、电子皮肤、防伪、人工假肢和智能机器人等方面具有广阔的应用前景。     

基于拉压转换和变刚度斜坡结构的宽量程压缩传感结构（英文）

压力传感器仍然面临着将高灵敏度与宽检测范围相结合的挑战.基于此,我们设计了一种拉-压转换(TC)结构,并将其与变刚度策略相结合来制造压力传感器件.该结构能够将二维可拉伸材料的传感性能转换为三维可压缩设备的传感性能.传感和机械性能可以使用模拟和理论计算进行设计.斜面结构能够在24.3 N范围内提供线性传感.变刚度设计策略使传感器能够以高灵敏度(3.5 N^-1)感知较小载荷,并具有宽的检测范围(0.002–24.300 N,扩展范围82.6 N).此外,该传感结构可以在水下环境中稳定工作.这种使用二维可拉伸应变传感器作为传感单元来开发压缩传感装置的设计策略将为未来提供新的思路.     

土豆淀粉基杏仁状炭及其非酶检测蔗糖（英文）

以土豆淀粉为原料,通过先在400-500℃空气中炭化,再于800℃裂解制备出杏仁状炭(CNA)颗粒,并组装成高灵敏度和选择性的非酶蔗糖传感器。采用扫描电镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、原子力和荧光显微镜对样品进行表征。通过循环伏安、微分脉冲伏安法及线性扫描法在酸性溶液中对蔗糖进行电化学检测。结果表明,这种新传感器对蔗糖氧化呈现良好的响应,具有宽的线性范围(R2=0.996 79),高灵敏度(~41.737 25±0.01μAμM-1·cm-2)、低的检测限(1μmol/L),高的稳定性及短的响应时间(9 s)。     

基于层层自组装纳米碳管薄膜的应变传感器

以层层自组装单壁碳纳米管网状薄膜为敏感材料,在柔性基底上制作了应变传感器,并对薄膜和器件性能进行了测试。测试结果表明:薄膜组装均匀,电导性良好,电阻随组装层数增加呈指数态下降;器件对应变呈现较好的敏感特性、线性响应和可恢复性,灵敏度为4.25;通过添加防护层屏蔽外界湿度及光照影响,传感器稳定性显著提高。该传感器可用于弯曲表面的应力应变检测。     

纸基碳纳米管薄膜/叉指结构的超灵敏宽量程压力传感器（英文）

柔性压力传感器因其在可穿戴设备和人机交互界面中的潜在应用而备受关注.特别是在实际应用中,人们对具有高灵敏度、宽测量范围和低成本的压力传感器有很大需求.基于此,我们研制出了一种测量范围宽的超灵敏压力传感器.该传感器是以碳纳米管(CNT)均匀溶液直接喷在纸表面作为敏感材料,用光刻技术制成的叉指电极为结构.由于CNT大的比表面积、纸的多孔结构以及CNT与叉指电极有效接触的协同作用,压力传感器实现了从0到140 kPa的宽测量范围,并在15,000个测试周期内表现出良好的稳定性.对于纸基碳纳米管薄膜/叉指状结构(PCI)压力传感器,敏感材料与叉指电极之间的连接区域在较小的压力范围内占主导地位,而敏感材料的内部变化在大的压力区域起主导作用.此外PCI压力传感器不仅具有2.72 kPa-1(直到35 kPa)的高灵敏度,还可以检测小重量,如一颗绿豆(约8 Pa).当压力传感器贴附到人体表面时,可以监测生理信号,如手腕运动、脉搏跳动和语音识别.此外,压力传感器的阵列能够识别空间压力分布,有望实际应用于人机交互界面.     

锯齿状水凝胶传感器的制备及传感性能

针对水凝胶柔性传感器存在低灵敏度和弱稳定性的缺陷,通过设计具有优异回弹性和小横截面积的锯齿状水凝胶,以提升水凝胶传感器的灵敏度及稳定性.首先,通过3D打印制备锯齿状模具,再将聚丙烯酰胺溶液注入模具进行交联,然后,用VHB双面胶封装制备基于锯齿状水凝胶的传感器,最后,对其进行人体运动传感测试,并以无结构片状水凝胶的传感器作为对比实验,验证锯齿状水凝胶对水凝胶传感器灵敏度和稳定性的提升.结果表明,基于锯齿状水凝胶的传感器表现出更为稳定的信号输出,并且可以检测到细小应变的运动,如吞咽、皱眉等.锯齿状水凝胶传感器有望用于电子皮肤传感器和软机器人等领域,为其高度灵敏、稳定可靠的传感系统提供新策略.     

聚天冬氨酸/聚(丙烯酰胺-丙烯酸)/Fe^(3+)离子水凝胶应变传感器的制备及在人体运动监测中的应用EI北大核心CSCD

将聚天冬氨酸(PASP)引入聚(丙烯酰胺-丙烯酸)(P(AA-AM))中,制备了PASP/P(AA-AM)水凝胶基质,将该基质浸泡于FeCl_(3)·6H_(2)O水溶液,得到了高强度、超拉伸,灵敏度较好的新型双离子交联PASP/P(AA-AM)/FeCl_(3)(PAAF)水凝胶。Fe^(3+)的引入不仅提高了PAAF水凝胶力学性能,同时也赋予了优秀的传感性能。所得的水凝胶传感器表现出优异的拉伸性能(1125%)、良好的力学强度(802.97 kPa),出色的快速自恢复性能(几乎完全恢复),良好的抗疲劳性和较好的灵敏度(GF=3.04),可以监测不同的人体运动(例如手指、肘部和膝关节),在小应变和大应变下都具有较好的稳定性,有望应用于可穿戴柔性传感器领域,监测人体运动。     

用于多模式人体体征信号采集人机界面的可回收水凝胶（英文）

离子导电水凝胶由于其在生物相容性、导电性和灵活性方面的独特优势,已成为可穿戴式人体运动检测传感器的最有希望的替代品之一.然而,目前的水凝胶电子器件仍然面临着不可重复使用性和单一信号检测功能的限制.在此,我们通过模拟生物体的网络结构和离子传导机制,制备了基于聚乙烯醇、海藻酸纤维和胶原蛋白的离子导电水凝胶,用于人体运动和电生理信号的双模式信号采集.通过海藻酸纤维和胶原蛋白的协同调节,水凝胶表现出类似皮肤的机械性能,具有低模量、高韧性和抗疲劳性,从而可以最大限度地提高水凝胶可穿戴传感器的穿着舒适度和运动检测能力.此外,具有与生物体相似离子传输行为的水凝胶导体可以用作表皮电极,收集包含重要人体生理信息的表皮电位.通过对可穿戴设备的合理设计和组装,水凝胶不仅可以连续、准确地识别全身运动信号,还可以采集肌电图、心电图等不同电生理信号.值得注意的是,这种基于非共价交联结构的水凝胶是完全可回收的,可以任意重组为新的电子器件,同时保持原有功能,提高水凝胶的可重复使用性,减少电子浪费.     

多重响应性P(AAEA-co-DMAA)水凝胶的合成及其性能研究

以具有多重响应性的新型单体4-乙酰基丙烯酰乙酸乙酯(AAEA)和N,N′-二甲基丙烯酰胺(DMAA)为原料,采用溶液自由基聚合法合成了具有多重响应性的水凝胶,研究了凝胶的溶胀行为以及在不同离子强度、温度、pH值条件下共聚水凝胶的响应性能。结果表明,随凝胶中AAEA含量的增加,凝胶的溶胀方式由Fick型转变为非Fick型;凝胶对外界离子强度、温度、pH值的变化产生响应,当NaCl浓度约为0.1mol/L时,凝胶的离子响应性出现较大的突变;随温度的升高,凝胶疏水性增大,85℃时凝胶的保水率只有60%;低pH值时,凝胶收缩,随pH值的增大,凝胶内P-AAEA部分解离加剧,静电斥力使凝胶溶胀。     

对氟离子呈现状态和比色响应的有机凝胶的研究进展

氟离子刺激响应的有机凝胶因子通过氢键识别或复合氟离子,使紫外吸收波长红移而发生颜色变化,实现比色响应;同时破坏凝胶形成的主要驱动力,诱导凝胶-溶胶转变,实现状态响应。能够响应外界氟离子刺激的有机凝胶在氟离子检测方面表现出明显的优势,具有方便快捷的肉眼检测效果,并且可以实现氟离子对准固体的检测,因此,具有氟离子刺激响应性的小分子有机凝胶受到人们越来越多的关注。文献报道较多的氟离子响应有机凝胶只能对氟离子刺激呈现状态响应,即氟离子加入能够诱导凝胶-溶胶转变,却不能诱导体系颜色变化;或者只能对氟离子刺激呈现比色响应,即氟离子加入能够诱导体系颜色变化,却不能诱导凝胶-溶胶转变。而对氟离子具有双重响应性的有机凝胶在氟离子探测方面具有更明显的优势,可以同时表现出肉眼可见的状态响应(凝胶-溶胶)和比色响应(颜色变化)。目前为止,对氟离子具有双重响应性的有机凝胶已经有一些报道。研究较多的是氢键型有机凝胶,凝胶因子中含有酰胺、酰腙、脲、酰肼等官能团,分子间氢键相互作用是凝胶形成的主要驱动力。由于氟离子有很强的电负性,能够与凝胶因子上的氢质子复合或发生去质子化,从而导致凝胶的破坏或颜色变化。因此,氟离子的响应机理基本上都是氢键相互作用和去质子化过程。但是凝胶因子与氟离子具体的响应过程千差万别,不仅与凝胶因子提供的氢键类型有直接关系,还与凝胶因子中的共轭基团、取代基性质和位置等有关。因此有必要对氟离子响应有机凝胶进行系统总结。基于此,结合本课题组近期对氟离子响应有机凝胶的研究结果,对近年来文献报道的有关氟离子刺激响应的有机凝胶体系,重点是近年来文献报道的对氟离子同时表现出肉眼可见的状态和比色响应的有机凝胶体系进行综述,以期为新型氟离子响应有机凝胶体系的分子设计提供一些参考。     

基于多向冷冻法制备的高灵敏度柔性电容式压力传感器

近年来柔性电容压力传感器因兼具优异的力学性能和良好的灵敏性，广泛应用于医学诊断、电子皮肤、人工智能等重要领域。本文围绕提升电容式柔性传感器的灵敏度为目标，设计了一种基于多向冷冻工艺构筑的三维交联网络结构多壁碳纳米管(MWCNTs)/聚二甲基硅烷(PDMS)海绵为介质层的柔性电容式压力传感器，并对该传感器的制造过程、传感机制、响应性能和人体适用性进行表征。结果表明：通过多向冷冻法可成功构建三维网络结构MWCNTs/PDMS海绵介质层，且此介质层组装的柔性电容式压力传感器具有较高灵敏度(～1.94 kPa^-1)、低检测限(～4 Pa)、快响应时间(～250 ms)、良好稳定性及人体适用性。该柔性传感器在可穿戴电子产品中具有良好的应用前景。     

ITO纳米晶-植物纤维复合材料的电阻式压力传感器（英文）

可穿戴电子设备因其在机器人触觉、人机交互和脉搏测试等领域具有潜在应用而引起广泛关注.作为一种可穿戴电子设备,柔性压力传感器应该是环保的,而且制造成本低.基于纤维素纸的压力传感器由于其优良的特性,如轻质、无毒或低毒、可降解性和柔韧性,而引起了人们的关注.在此,我们报道了一种基于铟锡氧化物(ITO)纳米晶体和植物纤维复合材料的电阻式触觉传感器.该压力传感器具有宽的检测范围(0-100 kPa)、高灵敏度(464.88 kPa^-1)、快速的响应时间(6.93 ms)和恢复时间(7.18 ms)以及良好的加载/卸载稳定性.我们还展示了该压力传感器用于脉搏测试、呼吸监测、语音识别等各种人体运动检测.结果表明,ITO纳米晶-植物纤维复合材料压力传感器在智能可穿戴电子产品中显示出巨大应用潜力.     

高导电性、可回收和抗菌的物理交联聚乙烯醇/壳聚糖-植酸水凝胶用于可穿戴传感器（英文）

导电水凝胶作为可穿戴式传感器满足了机械灵活性和智能感应的基本要求.然而,它们往往遇到一些问题,如良好的机械性能和高导电性之间的不相容性、较差的抗菌能力和难以回收.在此,我们通过简单的冻融方法开发了高导电性物理交联的聚乙烯醇/壳聚糖-植酸(PVA/CS-PA)水凝胶.PA与CS和PVA基质之间的氢键和静电作用不仅赋予了水凝胶适宜的机械性能和良好的延展性,而且还使其具备有意义的可回收特性.此外,由于PA分子的离子传导性和抗菌能力,该水凝胶表现出卓越的导电性(～0.125 S cm^-1)和抗菌活性.这些特殊的性能使基于该水凝胶的可穿戴传感器表现出应变敏感的特性(在200%-420%的应变下,应变系数为7.21),可以监测人体的各种活动.此外,PVA/CSPA溶胶墨水可以在冰浴环境下转变为凝胶状态,这将满足柔性电路的需要,并使可穿戴式传感器更加便携.     

壳聚糖接枝丙烯酸/丙烯酰胺水凝胶的制备及性能

以丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)两种单体同时对壳聚糖(CTS)进行接枝改性,合成了具有环境响应性的壳聚糖水凝胶,讨论了各合成因素对凝胶溶胀性能的影响及凝胶对pH值、离子强度和温度的响应性。结果表明,当反应时间为2h~2.5 h、单体与CTS质量比为8∶1、反应温度在60℃左右、引发剂用量为0.35%(占单体和CTS总量的百分比,下同)、交联剂用量为0.125%时,制得的水凝胶最高溶胀度可达224 g/g,而且该凝胶同时具有pH值、离子强度和温度敏感性。     

多功能复合材料Fe3O4@P（NIPAM-AAM）,Au的制备及性能研究

采用柠檬酸钠化学还原法制备了尺寸约40nm的Au颗粒,并将纳米Au颗粒组装到磁温敏聚合物Fe3O4@P(NIPAM-AAM)表面,获得了兼具温度响应性、磁响应性和SERS活性的多功能复合材料Fe3O4@P(NIPAM-AAM),Au。用透射电镜(TEM)、红外光谱仪(FT-IR)、振动样品磁强计(VSM)、紫外-可见光谱仪(UV-Vis)等对多功能复合材料进行表征。以罗丹明为探针分子,研究了复合材料的SERS活性。研究表明,多功能复合材料具有良好的超顺磁性和SERS活性,其低临界溶解温度(LCST)在41℃左右。交变磁场作用下,复合材料可在750s内使自身温度升至45℃。