石墨烯氣凝膠因其有序的微觀結構和導電網絡，為未來人機界面高性能壓力傳感器的開發帶來了巨大前景。 然而，多孔微結構的固有剛度導致應變感應范圍有限，從而阻礙了其應用。 在這里，通過在專用截面平面上將微結構從蜂窩狀重新配置為屈曲結構，實現了一種各向異性交聯殼聚糖和還原氧化石墨烯（CCS-rGO）氣凝膠超材料。 重新配置后的 CCS-rGO 氣凝膠顯示出定向超彈性和非凡的耐久性（在定向壓縮應變≤0.7 的條件下，經過 20 000 次循環后，結構無明顯損壞）。 CCS-rGO 氣凝膠壓力傳感器具有 121.45 kPa
-1 的超高靈敏度、前所未有的傳感范圍以及穩定的機械和電氣性能。 氣凝膠傳感器可用于監測人體運動、控制機器人手，甚至集成到柔性鍵盤中播放音樂，這為未來的人機界面開辟了廣闊的應用前景。
Fig 1. 重構CCS rGO氣凝膠超材料的制備和表征。（a–d）CCS rGO氣凝膠制造示意圖。（a） GO和殼聚糖在水中的混合。（b） 定向冷凍以產生交聯的GO網絡。（c）冷凍干燥以獲得CS-GO氣凝膠。（d） 熱退火以實現具有重構微觀結構的CCS rGO。（e） 殼聚糖和GO在合成過程中的化學成分和相互作用。（f） 退火過程中GA和CS之間形成的化學交聯。（g）不含殼聚糖的GO、（h）CS-GO和（i）CCS rGO氣凝膠的微觀結構。CS-GO和CCS-rGO氣凝膠的（j和k）C 1s光譜和（l和m）N 1s光譜。（n） CS-GO和CCS-rGO氣凝膠的FTIR光譜。（o） CCS rGO材料在單軸壓縮下的變形圖示。（p） CS-GO和CCS rGO的壓縮應力-應變曲線。（q） 水在CCS rGO氣凝膠上的大接觸角。（r） 花瓣上輕盈的CCS rGO氣凝膠的快照。
Fig 2. 橫截面中平面微觀結構轉變的力學。（a–d）顯微CT圖像和（e–h）退火溫度分別為25、140、180和220°C的微觀結構SEM圖像。（i） 3D插圖和2D FEA模型。（j） t/t0=0.9時初始（灰色）和重構（黃色）微觀結構的比較。（k） 半蜂窩結構在不同時間跨度下的熱屈曲模擬結果。標簽1-4分別表示t/t0值為0.3、0.6、0.9和1時的狀態。（l） 加熱后冷卻的模擬結果。（m） 屈曲蜂窩結構（綠色）和屈曲結構（紫色）隨溫度變化的相圖。（n） 歸一化動能Ek/Ek的演變在不同溫度下以時間比t/trend結束。
Fig 3. CCS rGO氣凝膠的穩健定向機械傳感性能。形態（a）在Z方向20000次壓縮循環之前和之后。（c） 在0.1-0.5的εcomp范圍內壓縮的氣凝膠的應力-應變曲線。（d） 不同加載速率下氣凝膠的應力-應變曲線。（e） 當εcomp固定為0.3時，氣凝膠在循環壓縮下的應力-應變曲線。（f） 不同εcomp水平下的電流響應。（g） 在0-2.5 kPa的σcomp范圍內的靈敏度。（h） 與εcomp和循環壓縮相關的阻力變化。（i） εcomp為0.5時，20000次循環的電流穩定性。（j） 我們的壓力傳感器與現有傳感器的靈敏度和最大壓應力的比較。（k） 比較我們的壓力傳感器和其他還原氧化石墨烯氣凝膠傳感器的多個參數，包括經濟指標、測試周期、最大壓應力、最大壓應變、靈敏度和響應速度（為確保每個參數的有益增長趨勢的一致性，響應速度被視為負數）。
Fig 4. 基于CCS rGO氣凝膠的多模式壓力傳感器，適用于不同場景。（a） CCS rGO簡單測試單元（插入件）和手指彎曲的角電流響應。（b） 彎曲機構的等效二維模型。人體檢測的當前信號，包括（c）面部表情，（d）脈搏，（e）說“交通”和“傳感器”，以及（f）呼吸。（g） 用于操縱機器人手的手指傳感器的配置。（h） 人機遠程控制系統示意圖。（i） 五個手指在不同的應變下，對應機器人手的手指同步手勢。（j） 與四個手勢相關的每個手指的模擬信號值。（k和l）基于CCS rGO氣凝膠定制陣列的電子鋼琴原型和產品。
相關研究成果由西安交通大學Fei Chen，諾桑比亞大學Ben Bin Xu，阿爾伯塔大學Xuehua Zhang和加州大學洛杉磯分校Ximin He團隊于2024年共同在線發表在《Nano Letters》期刊上，Microstructure-Reconfigured Graphene Oxide Aerogel Metamaterials for Ultrarobust Directional Sensing at Human–Machine Interfaces，原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c03706
轉自《石墨烯研究》公眾號
