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武漢大學(xué)天然高分子呂昂團(tuán)隊(duì) Mater. Horiz.：合理設(shè)計(jì)應(yīng)用于超靈敏壓力傳感器的纖維素水凝膠
2023-08-14  來(lái)源：高分子科技

  作為可將機(jī)械感覺(jué)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的各種設(shè)備，柔性可穿戴的壓力傳感器已在人工智能、人機(jī)界面和健康檢測(cè)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，而對(duì)于具有高靈敏度的柔性壓力傳感器的需求也日漸增多。


圖1.從納米和微米尺度去設(shè)計(jì)和調(diào)控纖維素水凝膠，以實(shí)現(xiàn)靈敏度的飛躍


  近期，武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院天然高分子呂昂團(tuán)隊(duì)只使用纖維素而不添加第二成分，從納米和微米兩個(gè)角度出發(fā)（圖1），采用零浪費(fèi)、綠色的方法，合理設(shè)計(jì)了一種纖維素離子導(dǎo)電水凝膠 (ICH)，可用于超靈敏壓力傳感器。通過(guò)引入低分子量纖維素，以及粗糙度的概念，ICH的壓電靈敏度從0.04 kPa-1增加到89.81 kPa-1，增量足足有2245倍，同時(shí)ICH還具有高透明度、優(yōu)異的耐久性和良好的導(dǎo)電性。此外，ICH還展示了作為傳感器和陣列的巨大潛力，可用于醫(yī)療和運(yùn)動(dòng)識(shí)別等多個(gè)領(lǐng)域。該設(shè)計(jì)還適用于壓阻型傳感器，可實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度。這種經(jīng)濟(jì)、有效、環(huán)保的技術(shù)無(wú)疑為提高柔性壓力傳感器的功能提供了新的視角和潛力。該工作以“Rationally designed cellulose hydrogel for an ultrasensitive pressure sensor”為題發(fā)表在《Materials Horizons》上。文章第一作者是武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院博士研究生陳敏章，通訊作者為呂昂副教授。 


圖2. 引入低分子量纖維素對(duì)鏈結(jié)構(gòu)的影響及水凝膠相關(guān)基本性能.


  如圖2所示，在納米尺度上，通過(guò)引入低分子量的纖維素，纖維素鏈末端數(shù)量的增加，ICH的網(wǎng)狀尺寸也會(huì)增大，導(dǎo)致水凝膠模量的降低，使其在承受外部壓力下的電容變化更大。因此，壓電靈敏度從0.04 kPa-1增加到13.31 kPa-1，提高了333倍。 


圖3. 引入粗糙度對(duì)水凝膠結(jié)構(gòu)的影響及相關(guān)傳感性能.


  隨后，如圖3所示，在微米尺度上，以砂紙為模板，增加了ICH的表面粗糙度，從而增大了外力作用下電極與電介質(zhì)之間有效接觸面積。最終，在納米和微米尺度的協(xié)同調(diào)節(jié)下，ICH的靈敏度進(jìn)一步提高到89.81 kPa 1，比原始值增加了2245倍。 


圖4. 模擬輸液場(chǎng)景并將ICH應(yīng)用于檢測(cè)微弱壓力


  如圖4所示，通過(guò)建立一個(gè)病人正在輸液的場(chǎng)景，然后將 ICH 傳感器放置在不同位置以檢測(cè)微小的壓力范圍（1 Pa 至 1 kPa），就可以通過(guò)檢測(cè)生理信號(hào)（包括脈搏、呼吸、心跳和輸液）來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)病人的健康狀況。


  原文鏈接：

  Rationally designed cellulose hydrogel for an ultrasensitive pressure sensor - Materials Horizons (RSC Publishing)

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh01051a


作者簡(jiǎn)介


呂昂

本文通訊作者

武漢大學(xué) 副教授


主要研究領(lǐng)域

(1)高分子與溶劑的分子間相互作用研究；(2)天然高分子基柔性器件的綠色制備。


主要研究成果

博士、博導(dǎo)、副教授，武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院張俐娜院士團(tuán)隊(duì)。從事天然高分子和高分子物理的基礎(chǔ)研究，致力于天然高分子與溶劑的分子間相互作用研究及天然高分子基柔性器件的綠色制備技術(shù)研究，在天然高分子領(lǐng)域具有較強(qiáng)的影響力。任現(xiàn)職以來(lái)以通訊和共同通訊作者在Prog Polym Sci、Nano-Micro Letters、Chem Eng J、J Mater Chem A、Mater. Horiz.等國(guó)際期刊發(fā)表四十余篇學(xué)術(shù)論文；授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利3項(xiàng)；參編“十二五”國(guó)家重點(diǎn)圖書《纖維素科學(xué)與材料》一部和美國(guó)化學(xué)會(huì)論著一部；入選2014年度湖北省“楚天學(xué)子”計(jì)劃，入選2016年度武漢大學(xué)珞珈青年學(xué)者計(jì)劃；主持國(guó)家自然科學(xué)基金三項(xiàng)。

Email：anglu@whu.edu.cn

課題組網(wǎng)站：https://anglu.whu.edu.cn

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（責(zé)任編輯：xu）
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