马建中教授团队在国际期刊《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》发表封面论文

发布者:潘朝莹

发布时间:2022-03-01

随着柔性电子设备的快速兴起和发展,可穿戴、柔性、可伸缩的传感器被广泛应用于医疗检测、人体运动监测和人机交互等方面。但是由传统合成高分子材料制成的柔性传感材料生物相容性较差,且不可降解,会导致传感器的穿戴舒适性较差,同时产生大量不可降解的电子垃圾,阻碍绿色发展的道路。

近日,陕西科技大学马建中教授团队和新加坡国立大学王家功教授合作,制备了以胶原纤维为基体的绿色柔性传感材料,在柔性电子领域取得了重要进展,该成果以“Degradable cross-linked collagen fiber/MXene composite aerogels as a high-performing sensitive pressure sensor”为题在国际期刊《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》上面发表封面论文。本文的第一作者是陕西科技大学张文博副教授,通讯作者为陕西科技大学马建中教授。

说明: ascecg_v010i004

图1论文封面

本文采用力学性能较好的交联胶原纤维(CCFs)作为骨架材料,二维过渡金属碳化物和/或氮化物(MXene)作为导电材料,将CCF与MXene共混、冷冻干燥,制备了具有良好传感性能、降解性和耐热性的CCF/MXene传感材料。该传感材料具有三维多孔结构,且CCF和MXene之间的界面控制良好,使得CCF/MXene有足够的机械强度来支持施加的压力。

图2 CF、CCF和不同质量比CCF/MXene传感材料的SEM照片

随着MXene含量的增加,CCF/MXene的电阻减小。CCF/MXene传感材料通过其多孔导电网络实现传感性能。当对CCF/MXene施加压力时,其多孔结构变得致密,导致电流增加。压力释放后,多孔结构逐渐恢复到初始形状,电流信号下降。即完成了压力信号转化成电信号的过程。其中最佳的孔结构和初始导电性使CCF/MXene-50传感材料具有较高的灵敏度。CCF/ MXene-50传感材料在不同压缩压力和不同频率下的传感性能均达到了设计要求。该传感材料传感范围宽(0-2.8 kPa),检测限低(0.4 kPa),灵敏度高(61.99 kPa-1),响应(0.30 s)和恢复(0.15 s)速度快,可用于人体关节运动的监测。

图3 CCF/ MXene-50传感材料对(a)手指弯曲,(b)肘部弯曲,(c)敲击,(d)行走,(e)跑步,(f)跳跃过程的相对电流变化,(g)传感机理

同时,得益于其多孔结构和生物质来源,该传感材料还具有良好的热稳定性和降解性能,在150℃下仍可保持较好的传感性能,且在碱性溶液中可较快降解,这对传感材料可扩展的应用范围及其对减少电子垃圾和保护环境具有重要意义。

图4 CCF/ MXene-50传感材料的降解性能

文章信息:Wenbo Zhang; Zhaoying Pan; Jianzhong Ma; Linfeng Wei; Zhen Chen; John Wang,Degradable cross-linked collagen fibers/MXene composite aerogels as high performing sensitive pressure sensor. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2022, 10, 4, 1408–1418. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c05757