作者:梁嘉杰等 来源:《物质》 发布时间:2022/3/18 22:59:09
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力学超结构策略提高压力传感灵敏度

 

北京时间2022年3月18日晚23时,南开大学梁嘉杰教授与中国科技大学吴恒安教授团队合作在Matter上发表了一篇题为“An auxetic cellular structure as a universal design for enhanced piezoresistive sensitivity”的新研究。

该工作基于理论模型指导,提出一种普适性的具有负泊松比结构的力学超材料的设计策略,极大地提高导电多孔材料的压力传感灵敏度。论文通讯作者为梁嘉杰、吴恒安;南开大学史鑫磊博士、博士生范向前,及中科大朱银波副教授为共同第一作者。

由于在形变时可以产生较大量的导电通路变化,导电多孔材料是最常用的压阻式压力传感材料之一。但传统的多孔材料一般具有正泊松比结构,即材料受力发生纵向压缩时,同时会产生横向膨胀。纵向压缩会增加材料内部导电通路数量,产生压力传感效应;但横向膨胀则相反地降低材料内部导电通路数量,抑制传感灵敏度。因此,传统的导电多孔材料的压力传感性能往往会受到限制。

针对此,近日南开大学梁嘉杰教授团队与中科大吴恒安教授团队合作,提出一种普适性的具有负泊松比结构的力学超材料的设计策略,极大地提高导电多孔材料的压力传感灵敏度。

图1:具有负泊松比结构的多孔材料的设计策略。(a)具有正泊松比行为的常规多孔材料结构;(b)具有负泊松比行为的力学超材料多孔结构;(c),(d),(e)侧面对称和中部菱形模式的多孔结构设计(FEA模拟)。

研究团队基于FEA模型指导,通过定向冷干技术,分别利用多种不同的导电材料(包括一维碳纳米管、银纳米线、二维石墨烯、MXene、导电高分子PEDOT:PSS等),制备了系列具有对称双曲线内凹结构的导电多孔超材料。

图2:负泊松比结构多孔材料的制备与形貌表征。(a)通过定向冷冻干燥工艺制备具有双曲线微观结构的多孔超材料的示意图;(b)多孔超材料放置在狗尾草上的照片示意图;(c)多孔超材料x-y横截面SEM图像;(d)多孔超材料内部微孔结构。

该系列力学超材料在纵向压缩时,可同时产生宏观的横向收缩,负泊松比值可达-0.45。这种负泊松比行为可极大地增加多孔超材料在压缩时产生的单位体积导电通路密度,因此提高压力传感灵敏度。其中,基于MXene的负泊松比多孔超材料的压力传感灵敏度可达990 kPa-1,远高于传统正泊松比的MXene多孔材料。同时,负泊松比效应可增强多孔超材料的力学弹性和抗疲劳性等,使其压力传感稳定性和可靠性也得到大幅提升。

图3:负泊松比多孔超材料的压力传感性能。(a)压阻式压力传感器结构与测试示意图;(b)负泊松比和正泊松比多孔材料的压力梯度(0-50 Pa)相对电流随时间的变化;(c)石墨烯、(d)碳纳米管、(e)银纳米线和(f)PEDOT:PSS制备的正负泊松比多孔材料的压力传感性能比较;(g)负泊松比多孔材料比正泊松比多孔材料压力传感性能的提高;(h)压力传感灵敏度比较图;(i)0-30 Pa压力范围内灵敏度比较图。

图4:传感材料在人体脉搏信号探测上的表现。(a)正泊松比和(b)负泊松比传感器检测到的手腕脉冲的相对电阻变化;(c)来自正泊松比和(d)负泊松比传感器的放大信号显示单个心跳内的详细特征峰值。

该工作是梁嘉杰团队近年来在多功能纳米复合材料的制备与柔性电子皮肤的构筑的研究中取得了新进展之一。设计高性能触觉传感材料,发展高灵敏传感机制,实现高效的柔性传感器件构筑,是柔性电子皮肤领域发展面临的重要挑战。针对此,团队基于高分子流变学Doi-Edwards理论,发展一系列可印刷高分子纳米传感复合材料,通过先进印刷打印技术构建可穿戴传感和功能器件整列(Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1804479;Adv. Energy. Mater. 2019, 9, 1803987;Adv. Energy. Mater. 2020, 10, 1903794;Adv. Mater. 2018, 30, 1804165)。此外,团队提出了多重界面与多级结构协同策略,发展了一系列高性能的高分子纳米复合传感材料,实现了应变、压力、温度等触觉传感性能的在灵敏度、检测限、检测精度、以及使用寿命上的重要突破(Nat. Commun. 2022, 13, 1119; ACS Nano 2019, 13, 649; Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1800850; Mater. Hori. 2021, 8, 250;ACS Nano 2019, 13, 8124)。团队还深入探索了触觉传感机理,提出“电子-热电子”传感机制,制备了双响应纳米复合材料,实现对“应变-温度”双重触觉独立响应性(Nano Lett. 2020, 20, 6176)。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.02.022

 
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