最近，基于Ti3C2Tx MXene的柔性電子器件在人工健康診斷、軍事安全和人機交互方面引發了廣泛關注。對于長期健康檢測，應變傳感器的高靈敏度、耐久性和多功能性顯得尤為重要。然而，MXene和可拉伸納米纖維的不均勻性和低抗性導致其靈敏度和耐久性較差，構建一個強大的界面，使二維（2D）MXene納米片沿1D納米纖維均勻結合，形成3D連接網絡，有利于提高傳感性能。在此，研究者提出了一種簡單的策略來制備基于MXene和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）納米纖維的透氣、多功能全納米纖維傳感器。首先，SBS分子鏈通過硫醇-烯點擊化學引入季銨基團（NSBS），NSBS納米纖維的親水性和機械性能顯著提高，MXene納米片可以通過靜電相互作用均勻、牢固地吸附在NSBS納米纖維上。組裝的MXene/NSBS傳感器在300%的寬檢測范圍內達到62194的超高靈敏度，并在3000多個循環內穩定用于人體關節運動、脈搏和心電圖信號的無線檢測。此外，MXene/NSBS電極表現出溫度響應和熱管理性能，包括焦耳加熱和光熱性能。因此，這項工作為下一代多功能設備的實時健康診斷和人工智能提供了一個很有前途的候選組件。
圖1.MXene/NSBS納米纖維膜的制備。（a）MXene/NSBS納米纖維膜的制備過程示意圖。（b）紫外線交聯后SBS墊中硫醇-烯點擊化學示意圖。（c）靜態接觸角。（d）納米纖維的FESEM圖像。（e）MXene/NSBS復合納米纖維膜的數碼照片，顯示出良好的柔性和輕質性。
圖2.MXene的制備和納米纖維膜改性的表征。（a）MAX粉末和MXene納米片的XRD圖譜。（b）MXene薄片的TEM圖像，MXene水懸浮液的照片和Zeta電位。（c）SBS、DADMAC、SSBS和NSBS納米纖維的FT-IR光譜。（d）NSBS納米纖維的XPS全掃描和高分辨率光譜，樣品的（e）N1s、（f）C1s和（g）S2p XPS光譜。（h）不同光照時間后樣品的拉伸應力。（i）NSBS納米纖維墊的疲勞恢復曲線，包含40%伸長率下10次重復循環的應力-應變曲線。
圖3.不同納米纖維的FESEM圖像和實際應用性能測試：（a）純電紡SBS納米纖維，（b）40分鐘后通過點擊化學改性的SBS納米纖維，（c-e）不同超聲時間下涂有MXene的納米纖維：60、90和120分鐘，（f）經超聲作用90分鐘的MXene/NSBS納米纖維在100%應變下的微觀結構。（g）不同時間改性SBS納米纖維墊的靜態接觸角和水潤濕納米纖維膜的演示。（h）不同納米纖維墊的照片。（i）比較方塊電阻和點亮的小燈泡。（j）膠帶粘附實驗和彎曲試驗對電阻變化的影響。（k）透濕性裝置中的蒸汽滲透性。（l）納米纖維膜的透氣性測試。
圖4.MXene/NSBS應變傳感器的傳感特性。（a）不同應變（50%、75%、100%和125%）下的電阻變化。（b）不同施加應變（0-300%）下的相對電阻變化，插圖顯示了低應變范圍（0-100%）下的GF。（c）MXene/NSBS應變傳感器在裝載-卸載過程中的響應和恢復時間。（d）逐步應變曲線（0%、30%、40%、50%和60%）。（e）應變傳感器在20%應變下循環3000次以上的循環穩定性。（f）MXene/NSBS應變傳感器工作機理的演示，交聯后SBS納米纖維應變位移變化的COMSOL模擬。（g）導電電極和壓力傳感器組件的絲網印刷。（h）不同壓力下的響應信號。（i）30kPa下壓力傳感器的GF。（j）MXene/NSBS壓力傳感器在1kPa下的響應時間。（k）不同施加壓力下的逐步壓力曲線。（l）在2kPa循環載荷下循環3000次以上的瞬時響應。
圖5.MXene/NSBS傳感器在生理監測和活動識別中的應用。（a-c）監測手腕彎曲、膝蓋彎曲和手指彎曲并輸出信號，（d）圖中顯示了志愿者的脈沖振動波形。（e）連接在頸部皮膚上的智能設備，放大的插圖顯示了頸部脈搏的明顯曲線。（f）智能傳感器檢測到語音振動信號。（g）測試系統的示意圖，包括藍牙設備和心電傳感器，心電信號被傳輸到便攜式電極。（h）4×4像素的納米纖維基傳感器陣列墊的演示照片，以及用于實時壓力分布和形狀識別的三維（3D）條形圖。
圖6.熱管理性能分析：（a）MXene/NSBS納米纖維墊的I-V特性。（b）焦耳加熱性能通過4V、6V、8V和10V下隨時間變化的表面溫度進行測試。（c）MXene/NSBS納米纖維墊在350s以上連續施加電壓下的長期加熱曲線。（d）薄膜在模擬陽光下的電阻。（e）循環溫度響應。（f）電阻隨溫度的變化曲線。（g）循環電阻響應。（h）附著在裝有熱水和冷水的杯子上的溫度響應性能。（i）多功能傳感器和其他可穿戴傳感器的應用效果和雷達圖比較。
微信二維碼
