开发具有针对温度、人体运动和生理信号等不同信号的多重传感功能的高性能可穿戴传感器仍然是一个挑战。在本报告中，通过结合聚（N-丙烯酰基甘氨酰胺）（PNAGA）水凝胶的热敏性和自组装性，制备了PVA-CA/聚（N-丙烯酰基甘氨酰胺）/MXene水凝胶（PcNA-M）的新型儿茶酚官能化。 PVA(Pc)/MXene 水凝胶的儿茶酚功能化的动力特性。调整PNAGA和Pc的混合比例，使所得PcNA-M具有良好的拉伸、压缩、回弹性能、快速自愈和温度传感性能。此外，还发现水凝胶的电导率有离子电导率和电导率的贡献。为了针对不同的信号源产生不同形式的电信号，利用 PcNA-M 传感器来监测身体运动、切换温度和手写运动期间的电阻和电压信号。 PcNA-M传感器在自供电可穿戴传感器应用中表现出高灵敏度、可识别性和可靠性，在低频机械能量收集领域展现出巨大的前景。这项研究为可穿戴自供电多信号传感器监测与人体运动相关的不同信号开辟了新的可能性。
 

图1. 结合自供电、自修复和热敏功能的PcNA-M水凝胶的制备和分子机制的图解说明。
 

图2 . PcNA-M 水凝胶的组成、微观结构和流变性能表征。 (A) Ti3C2Tx MXene不同放大倍数的TEM图像； (B) Ti3C2Tx MXene的散射衍射图； (C) Ti3C2Tx MXene 薄片的 XPS 谱； (D) 不同 PC 和 PNAGA 比例的 Pc/PNAGA 和 PcNA-M 水凝胶的 SEM 横截面； (E) 在固定角频率 (10 rad/s) 下进行应变振幅扫描（应变 = 10 %-3000 %）的水凝胶的 G' 和 G''。 (F) 水凝胶从20℃到80℃的温度扫描；(G) 不同比例的Pc/PNAGA水凝胶和PcNA/MXene水凝胶自修复性能的流变测量。
 
 
图3. PcNA/MXene 水凝胶的机械性能和自修复性能。 (A) 不同比例的 Pc/PNAGA 水凝胶、PcNA-MXene 水凝胶和水饱和 PcNA-M 水凝胶的拉伸可逆测试。 (B)&(C)不同拉伸周期和最大加载应变下PcNA/MXene的循环加载-卸载拉伸试验； (D)&(E)不同拉伸周期和最大加载应变下PcNA/MXene的循环加载-卸载压缩试验； (F) 2 分钟后 PcNA/MXene 自愈的照片。 (G) 原始水凝胶和自修复水凝胶在 0.5 mm/s 拉伸速率下的应力-应变曲线。 (H) 水凝胶在多个分离和自修复循环过程中的实时电阻； （一）PcNA/MXene自愈过程中电阻的变化。
 

图4. PcNA/MXene 传感器的温度传感。 (A) PcNA-M水凝胶的原位红外光谱； （B）C双键O（1720–1750 cm−1）（C）N-H（1520–1560 cm−1）部分放大图(D) PcNA/MXene应变传感器对25–65°范围内温度的灵敏度C; (E)不同升温速率下PcNA/MXene在25~50℃范围内对温度的电阻变化;(F)25~50℃温度循环测试;(G)PcNA/MXene的电阻变化MXene传感器在35~40℃范围内逐步增加；（H）PcNA/MXene传感器在25~50℃范围内分别在0%、50%和100%训练下的电阻变化； （I）PcNA/MXene传感器在25℃、37℃、50℃下100%循环训练下的灵敏度。
 

图5. PcNA/MXene 传感器的机械传感能力。 (A) PcAT MNP 应变传感器在 0–300% 应变下的灵敏度； (B) 应变传感器在 1-150% 应变下的 ΔR/R0 演化；PcNA/MXene 传感器在监测不同人体活动期间的 ΔR/R0 演化，包括 (C) 手指弯曲； (D) 膝盖弯曲； (E) 脉搏； (F) 说“早上好，我的朋友们”时喉咙的振动； (G) 循环测试（2000次）下的电阻变化。
 

图 6. 用于不同拉伸状态、身体运动和手写的自供电传感器。 (A) 不同拉伸状态产生的输出电压； (B)&(C) PcNA-M−TENG 响应肘部弯曲的电压信号； (D) 400 次循环测试中 60% 应变产生的输出电压。 (E-H) PcNA-M−TENG 用于感知不同的手写细节； PcNA-M−TENG 拍手时的输出性能： (I) 开路电压； (J) 短路电流； (K) 转移费用金额； (L) 用手敲击 PcNA-M−TENG 点亮 44 个 LED 的照片。
 
     相关科研成果由南华大学Tao Gong等人于2024年发表在Chemical Engineering Journal（https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151221）上。原文：High-sensitivity wearable multi-signal sensor based on self-powered MXene hydrogels
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151221

转自《石墨烯研究》公众号