Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Nâng cao hiệu suất cảm biến áp suất thông qua cấu trúc liên kết linh hoạt nhúng MXene trong mảng thấu kính vi mô
Tóm tắt
Các vật liệu đàn hồi tổng hợp nhạy piezoresistive đã cho thấy tiềm năng lớn cho các ứng dụng điện tử linh hoạt và đeo được nhờ vào độ nhạy cao, đáp ứng tần số xuất sắc và khả năng phát hiện tín hiệu dễ dàng. Một cảm biến màng thành phần với cấu trúc liên kết đã được phát triển và cho thấy độ nhạy áp suất xuất sắc, thời gian phản ứng nhanh và đặc điểm trôi nhiệt thấp. So với cảm biến phẳng dựa trên MXene (Ti3C2) linh hoạt, cảm biến liên kết thể hiện độ nhạy áp suất cải thiện đáng kể gấp hai lần (21.04 kPa−1), tốc độ phản ứng nhanh 31 ms và tuổi thọ chu kỳ xuất sắc với 5000 lần thử nghiệm. Khả năng của cảm biến trong việc phản ứng với các kích thích bên ngoài khác nhau với khả năng biến dạng cao đã được xác nhận bằng cách tính toán phân bố lực của mô hình phim polydimethylsiloxane (PDMS) có cấu trúc thấu kính vi mô bằng cách sử dụng module cơ học rắn trong COMSOL. Khác với quy trình thông thường, chúng tôi đã sử dụng thiết bị in lithography laser trực tiếp ba chiều (3D) để chuyển đổi trực tiếp dữ liệu 3D chính xác cao thành hình thái cấu trúc vi-nanomet thông qua các liều phơi sáng biến đổi, điều này giúp giảm bước nóng chảy. Hơn nữa, thiết bị áp suất linh hoạt có khả năng phát hiện và phân biệt tín hiệu từ các chuyển động của ngón tay đến nhịp đập của con người, thậm chí cho nhận diện giọng nói. Phương pháp in lithography đơn giản, tiện lợi và quy mô lớn này mở ra những cơ hội mới cho việc phát triển các thiết bị tương tác giữa người và máy mới.
Từ khóa
#cảm biến áp suất #vật liệu đàn hồi piezoresistive #MXene #cấu trúc liên kết #tương tác người-máy #in 3DTài liệu tham khảo
Zhong, M. J.; Zhang, L. J.; Liu, X.; Zhou, Y. N.; Zhang, M. Y.; Wang, Y. J.; Yang, L.; Wei, D. Wide linear range and highly sensitive flexible pressure sensor based on multistage sensing process for health monitoring and human–machine interfaces. Chem. Eng. J. 2021, 412, 128649.
Zhang, H.; Zhang, D. Z.; Guan, J. R.; Wang, D. Y.; Tang, M. C.; Ma, Y. H.; Xia, H. A flexible wearable strain sensor for human-motion detection and a human–machine interface. J. Mater. Chem. C 2022, 10, 15554–15564.
Cao, W.; Luo, Y.; Dai, Y. M.; Wang, X.; Wu, K. L.; Lin, H. J.; Rui, K.; Zhu, J. X. Piezoresistive pressure sensor based on a conductive 3D sponge network for motion sensing and human–machine interface. ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 3131–3140.
Chao, M. Y.; He, L. Z.; Gong, M.; Li, N.; Li, X. B.; Peng, L. F.; Shi, F.; Zhang, L. Q.; Wan, P B. Breathable Ti3C2Tx MXene/protein nanocomposites for ultrasensitive medical pressure sensor with degradability in solvents. ACS Nano 2021, 15, 9746–9758.
Fu, X. Y.; Li, J. Z.; Li, D. D.; Zhao, L. J.; Yuan, Z. Y.; Shulga, V.; Han, W.; Wang, L. L. MXene/ZIF-67/PAN nanofiber film for ultrasensitive pressure sensors. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 12367–12374.
Zhu, B. W.; Ling, Y. Z.; Yap, L. W.; Yang, M. J.; Lin, F. E.; Gong, S.; Wang, Y.; An, T. C.; Zhao, Y. M.; Cheng, W. L. Hierarchically structured vertical gold nanowire array-based wearable pressure sensors for wireless health monitoring. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 29014–29021.
Meng, K. Y.; Xiao, X.; Wei, W. X.; Chen, G. R.; Nashalian, A.; Shen, S.; Xiao, X.; Chen, J. Wearable pressure sensors for pulse wave monitoring. Adv. Mater. 2022, 34, 2270158.
Ren, M. N.; Sun, Z. S.; Zhang, M. Q.; Yang, X. J.; Guo, D. D.; Dong, S. H.; Dhakal, R.; Yao, Z.; Li, Y. Y.; Kim, N. Y. A highperformance wearable pressure sensor based on an MXene/PVP composite nanofiber membrane for health monitoring. Nanoscale Adv. 2022, 4, 3987–3995.
Yuan, L. Q.; Wang, Z. W.; Li, H. W.; Huang, Y. N.; Wang, S. G.; Gong, X.; Tan, Z. T.; Hu, Y. X.; Chen, X. S.; Li, J. et al. Synergistic resistance modulation toward ultrahighly sensitive piezoresistive pressure sensors. Adv. Mater. Technol. 2020, 5, 1901084.
Wang, C.; Gong, D.; Feng, P. B.; Cheng, Y.; Cheng, X.; Jiang, Y. G.; Zhang, D. Y.; Cai, J. Ultra-sensitive and wide sensing-range flexible pressure sensors based on the carbon nanotube film/stress-induced square frustum structure. ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 8546–8554.
Shalabi, N.; Searles, K.; Takahata, K. Switch mode capacitive pressure sensors. Microsyst. Nanoeng. 2022, 8, 132.
Fan, L. J.; Yang, X. F.; Sun, H. Pressure sensors combining porous electrodes and electrospun nanofiber-based ionic membranes. ACS Appl. Nano Mater. 2023, 6, 3560–3571.
Chen, G. Z.; Chen, G.; Pan, L.; Chen, D. S. Electrospun flexible PVDF/GO piezoelectric pressure sensor for human joint monitoring. Diamond Relat. Mater. 2022, 129, 109358.
Abanah Shirley, J.; Esther Florence, S.; Sreeja, B. S.; Sankararajan, R. Bio-compatible piezoelectric material based wearable pressure sensor for smart textiles. Smart Mater. Struct. 2022, 31, 125015.
Zhao, Z. Z.; Huang, Q. Y.; Yan, C.; Liu, Y. D.; Zeng, X. W.; Wei, X. D.; Hu, Y. F.; Zheng, Z. J. Machine-washable and breathable pressure sensors based on triboelectric nanogenerators enabled by textile technologies. Nano Energy 2020, 70, 104528.
He, Y. X.; Zhou, M. Y.; Mahmoud, M. H. H.; Lu, X. S.; He, G. Y.; Zhang, L.; Huang, M. N.; Elnaggar, A. Y.; Lei, Q.; Liu, H. et al. Multifunctional wearable strain/pressure sensor based on conductive carbon nanotubes/silk nonwoven fabric with high durability and low detection limit. Adv. Compos. Hybrid Mater. 2022, 5, 1939–1950.
Liu, Z. Z.; Li, G. J.; Qin, Q.; Mi, L. W.; Li, G. R.; Zheng, G. Q.; Liu, C. T.; Li, Q.; Liu, X. H. Electrospun PVDF/PAN membrane for pressure sensor and sodium-ion battery separator. Adv. Compos. Hybrid Mater. 2021, 4, 1215–1225.
Shen, Y. Y.; Yang, W. K.; Hu, F. D.; Zheng, X. W.; Zheng, Y. J.; Liu, H.; Algadi, H.; Chen, K. Ultrasensitive wearable strain sensor for promising application in cardiac rehabilitation. Adv. Compos. Hybrid Mater. 2023, 6, 21.
Afroze, J. D.; Tong, L. Y.; Abden, M. J.; Chen, Y. Multifunctional hierarchical graphene-carbon fiber hybrid aerogels for strain sensing and energy storage. Adv. Compos. Hybrid Mater. 2023, 6, 18.
Khuje, S.; Sheng, A.; Yu, J.; Ren, S. Q. Flexible copper nanowire electronics for wireless dynamic pressure sensing. ACS Appl. Electron. Mater. 2021, 3, 5468–5474.
Ju, Y. H.; Han, C. J.; Kim, K. S.; Kim, J. W. UV-curable adhesive tape-assisted patterning of metal nanowires for ultrasimple fabrication of stretchable pressure sensor. Adv. Mater. Technol. 2021, 6, 2100776.
Chen, Y. K.; Yan, X.; Zhu, Y. L.; Cui, M.; Kong, L.; Kuang, M. X.; Zhang, X. Q.; Wang, R. A carbon nanotube-based textile pressure sensor with high-temperature resistance. RSC Adv. 2022, 12, 23091–23098.
Zhang, X.; Lu, L. J.; Wang, W. D.; Zhao, N.; He, P.; Liu, J. Q.; Yang, B. Flexible pressure sensors with combined spraying and self-diffusion of carbon nanotubes. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 38409–38420.
Lv, L. X.; Zhang, P. P.; Xu, T.; Qu, L. T. Ultrasensitive pressure sensor based on an ultralight sparkling graphene block. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 22885–22892.
Šiškins, M.; Lee, M.; Wehenkel, D.; Van Rijn, R.; De Jong, T. W.; Renshof, J. R.; Hopman, B. C.; Peters, W. S. J. M.; Davidovikj, D.; van der Zant, H. S. J. et al. Sensitive capacitive pressure sensors based on graphene membrane arrays. Microsyst. Nanoeng. 2020, 6, 102.
Wang, X. W.; Gu, Y.; Xiong, Z. P.; Cui, Z.; Zhang, T. Silk-molded flexible, ultrasensitive, and highly stable electronic skin for monitoring human physiological signals. Adv. Mater. 2014, 26, 1336–1342.
Park, J.; Kim, M.; Lee, Y.; Lee, H. S.; Ko, H. Fingertip skin-inspired microstructured ferroelectric skins discriminate static/dynamic pressure and temperature stimuli. Sci. Adv. 2015, 1, e1500661.
Lin, L.; Xie, Y. N.; Wang, S. H.; Wu, W. Z.; Niu, S. M.; Wen, X. N.; Wang, Z. L. Triboelectric active sensor array for self-powered static and dynamic pressure detection and tactile imaging. ACS Nano 2013, 7, 8266–8274.
Choong, C. L.; Shim, M. B.; Lee, B. S.; Jeon, S.; Ko, D. S.; Kang, T. H.; Bae, J.; Lee, S. H.; Byun, K. E.; Im, J. et al. Highly stretchable resistive pressure sensors using a conductive elastomeric composite on a micropyramid array. Adv. Mater. 2014, 26, 3451–3458.
Park, J.; Lee, Y.; Hong, J.; Ha, M.; Jung, Y. D.; Lim, H.; Kim, S. Y.; Ko, H. Giant tunneling piezoresistance of composite elastomers with interlocked microdome arrays for ultrasensitive and multimodal electronic skins. ACS Nano 2014, 8, 4689–4697.
Liu, H.; Zhao, H. Y.; Li, S.; Hu, J. Q.; Zheng, X. R.; Li, R.; Chen, Y. L.; Su, Y. W. Adhesion-free thin-film-like curvature sensors integrated on flexible and wearable electronics for monitoring bending of joints and various body gestures. Adv. Mater. Technol. 2019, 4, 1800327.
Zhao, Y. N.; Guo, X. H.; Hong, W. Q.; Zhu, T.; Zhang, T. X.; Yan, Z. H.; Zhu, K. L.; Wang, J. Y.; Zheng, G. Q.; Mao, S. N. et al. Biologically imitated capacitive flexible sensor with ultrahigh sensitivity and ultralow detection limit based on frog leg structure composites via 3D printing. Compos. Sci. Technol. 2023, 231, 109837.
Lei, H.; Cao, K. L.; Chen, Y. F.; Liang, Z. Q.; Wen, Z.; Jiang, L.; Sun, X. H. 3D-printed endoplasmic reticulum rGO microstructure based self-powered triboelectric pressure sensor. Chem. Eng. J. 2022, 445, 136821.
Nie, P.; Wang, R. R.; Xu, X. J.; Cheng, Y.; Wang, X.; Shi, L. J.; Sun, J. High-performance piezoresistive electronic skin with bionic hierarchical microstructure and microcracks. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 14911–14919.
Xia, K. L.; Wang, C. Y.; Jian, M. Q.; Wang, Q.; Zhang, Y. Y. CVD growth of fingerprint-like patterned 3D graphene film for an ultrasensitive pressure sensor. Nano Res. 2018, 11, 1124–1134.
Wan, Y. B.; Qiu, Z. G.; Hong, Y.; Wang, Y.; Zhang, J. M.; Liu, Q. X.; Wu, Z. G.; Guo, C. F. A highly sensitive flexible capacitive tactile sensor with sparse and high-aspect-ratio microstructures. Adv. Electron. Mater. 2018, 4, 1700586.
Xu, C. X.; Fan, C. C.; Zhang, X. L.; Chen, H. T.; Liu, X. T.; Fu, Z. M.; Wang, R. R.; Hong, T.; Cheng, J. G. MXene (Ti3C2Tx) and carbon nanotube hybrid-supported platinum catalysts for the high-performance oxygen reduction reaction in PEMFC. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 19539–19546.
Fang, Z. W.; Xu, C. X.; Zhang, X. L.; Wang, Y. C.; Xiao, T.; Wang, L.; Chen, M.; Liu, X. T. MXene (Ti3C2Tx)-supported binary Co-, Zn-doped carbon as oxygen reduction reaction catalyst for anion exchange membrane fuel cells. Energy Technol. 2022, 10, 2101168.
Shao, Y. M.; Zhu, Y.; Zheng, R.; Wang, P.; Zhao, Z. Z.; An, J. Highly sensitive and selective surface molecularly imprinted polymer electrochemical sensor prepared by Au and MXene modified glassy carbon electrode for efficient detection of tetrabromobisphenol A in water. Adv. Compos. Hybrid Mater. 2022, 5, 3104–3116.
Kong, D. S.; El-Bahy, Z. M.; Algadi, H.; Li, T.; El-Bahy, S. M.; Nassan, M. A.; Li, J. R.; Faheim, A. A.; Li, A.; Xu, C. X. et al. Highly sensitive strain sensors with wide operation range from strong MXene-composited polyvinyl alcohol/sodium carboxymethylcellulose double network hydrogel. Adv. Compos. Hybrid Mater. 2022, 5, 1976–1987.
Wu, N. N.; Zhao, B. B.; Chen, X. Y.; Hou, C. X.; Huang, M. N.; Alhadhrami, A.; Mersal, G. A. M.; Ibrahim, M. M.; Tian, J. Dielectric properties and electromagnetic simulation of molybdenum disulfide and ferric oxide-modified Ti3C2Tx MXene hetero-structure for potential microwave absorption. Adv. Compos. Hybrid Mater. 2022, 5, 1548–1556.
Zhang, Y. L.; Ruan, K. P.; Zhou, K.; Gu, J. W. Controlled distributed Ti3C2Tx hollow microspheres on thermally conductive polyimide composite films for excellent electromagnetic interference shielding. Adv. Mater., in press, https://doi.org/10.1002/adma.202211642.
Li, M. K.; Sun, Y. Y.; Feng, D. Y.; Ruan, K. P.; Liu, X.; Gu, J. W. Thermally conductive polyvinyl alcohol composite films via introducing hetero-structured MXene@silver fillers. Nano Res., in press, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5594-1.
Zhang, Y. L.; Ma, Z. L.; Ruan, K. P.; Gu, J. W. Multifunctional Ti3C2Tx-(Fe3O4/polyimide) composite films with Janus structure for outstanding electromagnetic interference shielding and superior visual thermal management. Nano Res. 2022, 15, 5601–5609.
Luo, W. L.; Ma, Y.; Li, T. X.; Thabet, H. K.; Hou, C. P.; Ibrahim, M. M.; El-Bahy, S. M.; Xu, B. B.; Guo, Z. H. Overview of MXene/conducting polymer composites for supercapacitors. J. Energy Storage 2022, 52, 105008.
Dai, B.; Ma, Y.; Dong, F.; Yu, J.; Ma, M. L.; Thabet, H. K.; El-Bahy, S. M.; Ibrahim, M. M.; Huang, M. N.; Seok, I. et al. Overview of MXene and conducting polymer matrix composites for electromagnetic wave absorption. Adv. Compos. Hybrid Mater. 2022, 5, 704–754.
Bi, X. Y.; Li, M. C.; Zhou, G. Q.; Liu, C. Z.; Huang, R. Z.; Shi, Y.; Xu, B. B.; Guo, Z. H.; Fan, W.; Algadi, H. et al. High-performance flexible all-solid-state asymmetric supercapacitors based on binderfree MXene/cellulose nanofiber anode and carbon cloth/polyaniline cathode. Nano Res., in press, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5586-1.
Wang, Y. J.; Wang, Y.; Xu, M. T.; Dai, F. Y.; Li, Z. Flat silk cocoon pressure sensor based on a sea urchin-like microstructure for intelligent sensing. ACS Sustainable Chem. Eng. 2022, 10, 17252–17260.
Shi, R. L.; Lou, Z.; Chen, S.; Shen, G. Z. Flexible and transparent capacitive pressure sensor with patterned microstructured composite rubber dielectric for wearable touch keyboard application. Sci. China Mater. 2018, 61, 1587–1595.
Boutry, C. M.; Nguyen, A.; Lawal, Q. O.; Chortos, A.; Rondeau-Gagné, S.; Bao, Z. N. A sensitive and biodegradable pressure sensor array for cardiovascular monitoring. Adv. Mater. 2015, 27, 6954–6961.
Wei, Y. D.; Luo, W. L.; Zhuang, Z.; Dai, B.; Ding, J. X.; Li, T. X.; Ma, M. L.; Yin, X. Q.; Ma, Y. Fabrication of ternary MXene/MnO2/polyaniline nanostructure with good electrochemical performances. Adv. Compos. Hybrid Mater. 2021, 4, 1082–1091.