開發具有針對溫度、人體運動和生理信號等不同信號的多重傳感功能的高性能可穿戴傳感器仍然是一個挑戰。在本報告中，通過結合聚（N-丙烯酰基甘氨酰胺）（PNAGA）水凝膠的熱敏性和自組裝性，制備了PVA-CA/聚（N-丙烯酰基甘氨酰胺）/MXene水凝膠（PcNA-M）的新型兒茶酚官能化。 PVA(Pc)/MXene 水凝膠的兒茶酚功能化的動力特性。調整PNAGA和Pc的混合比例，使所得PcNA-M具有良好的拉伸、壓縮、回彈性能、快速自愈和溫度傳感性能。此外，還發現水凝膠的電導率有離子電導率和電導率的貢獻。為了針對不同的信號源產生不同形式的電信號，利用 PcNA-M 傳感器來監測身體運動、切換溫度和手寫運動期間的電阻和電壓信號。 PcNA-M傳感器在自供電可穿戴傳感器應用中表現出高靈敏度、可識別性和可靠性，在低頻機械能量收集領域展現出巨大的前景。這項研究為可穿戴自供電多信號傳感器監測與人體運動相關的不同信號開辟了新的可能性。
圖1. 結合自供電、自修復和熱敏功能的PcNA-M水凝膠的制備和分子機制的圖解說明。
圖2 . PcNA-M 水凝膠的組成、微觀結構和流變性能表征。 (A) Ti3C2Tx MXene不同放大倍數的TEM圖像； (B) Ti3C2Tx MXene的散射衍射圖； (C) Ti3C2Tx MXene 薄片的 XPS 譜； (D) 不同 PC 和 PNAGA 比例的 Pc/PNAGA 和 PcNA-M 水凝膠的 SEM 橫截面； (E) 在固定角頻率 (10 rad/s) 下進行應變振幅掃描（應變 = 10 %-3000 %）的水凝膠的 G' 和 G''。 (F) 水凝膠從20℃到80℃的溫度掃描；(G) 不同比例的Pc/PNAGA水凝膠和PcNA/MXene水凝膠自修復性能的流變測量。
圖3. PcNA/MXene 水凝膠的機械性能和自修復性能。 (A) 不同比例的 Pc/PNAGA 水凝膠、PcNA-MXene 水凝膠和水飽和 PcNA-M 水凝膠的拉伸可逆測試。 (B)&(C)不同拉伸周期和最大加載應變下PcNA/MXene的循環加載-卸載拉伸試驗； (D)&(E)不同拉伸周期和最大加載應變下PcNA/MXene的循環加載-卸載壓縮試驗； (F) 2 分鐘后 PcNA/MXene 自愈的照片。 (G) 原始水凝膠和自修復水凝膠在 0.5 mm/s 拉伸速率下的應力-應變曲線。 (H) 水凝膠在多個分離和自修復循環過程中的實時電阻； （一）PcNA/MXene自愈過程中電阻的變化。
圖4. PcNA/MXene 傳感器的溫度傳感。 (A) PcNA-M水凝膠的原位紅外光譜； （B）C雙鍵O（1720–1750 cm−1）（C）N-H（1520–1560 cm−1）部分放大圖(D) PcNA/MXene應變傳感器對25–65°范圍內溫度的靈敏度C; (E)不同升溫速率下PcNA/MXene在25~50℃范圍內對溫度的電阻變化;(F)25~50℃溫度循環測試;(G)PcNA/MXene的電阻變化MXene傳感器在35~40℃范圍內逐步增加；（H）PcNA/MXene傳感器在25~50℃范圍內分別在0%、50%和100%訓練下的電阻變化； （I）PcNA/MXene傳感器在25℃、37℃、50℃下100%循環訓練下的靈敏度。
圖5. PcNA/MXene 傳感器的機械傳感能力。 (A) PcAT MNP 應變傳感器在 0–300% 應變下的靈敏度； (B) 應變傳感器在 1-150% 應變下的 ΔR/R0 演化；PcNA/MXene 傳感器在監測不同人體活動期間的 ΔR/R0 演化，包括 (C) 手指彎曲； (D) 膝蓋彎曲； (E) 脈搏； (F) 說“早上好，我的朋友們”時喉嚨的振動； (G) 循環測試（2000次）下的電阻變化。
圖 6. 用于不同拉伸狀態、身體運動和手寫的自供電傳感器。 (A) 不同拉伸狀態產生的輸出電壓； (B)&(C) PcNA-M−TENG 響應肘部彎曲的電壓信號； (D) 400 次循環測試中 60% 應變產生的輸出電壓。 (E-H) PcNA-M−TENG 用于感知不同的手寫細節； PcNA-M−TENG 拍手時的輸出性能： (I) 開路電壓； (J) 短路電流； (K) 轉移費用金額； (L) 用手敲擊 PcNA-M−TENG 點亮 44 個 LED 的照片。
相關科研成果由南華大學Tao Gong等人于2024年發表在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
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151221
轉自《石墨烯研究》公眾號
