实时检测不同的生理特征对于人类的身心健康至关重要。一种具有多模态传感能力、高灵敏度、优异的机械性能和环境稳定性的检测系统是非常理想的，但这仍然是一个巨大的挑战。受生物组织结构梯度的启发，本研究制备了一种基于羧基苯乙烯丁二烯橡胶（XSBR）和聚丙烯酸钠（PAANa）非共价修饰MXenes的多功能传感器，其中MXenes呈现梯度分布，同时形成梯度分布。通过与 PAANa 形成氢键相互作用，在基质底部定向排列。该材料具有 244% 的可观拉伸性和 7.67 MPa 的强度、55.40 S m−1 的高电导率、2.48 wt% 的低渗透阈值以及对应变（98% 应变内应变系数为 906.7）和湿度的出色响应（11-93% 相对湿度内相对电阻变化为 530%）。基于XSBR/PAANa/MXene复合材料的优越性能，设计了集成检测系统，可以准确检测各种尺度的呼吸和身体运动。这项工作为开发用于传感器应用的新型仿生功能材料提供了新的视角。
 
 
图1. a) XSBR/PAANa/MXene 复合材料的示意图和功能梯度结构。 b) 系统级框图，显示信号处理和传输到 OLED 屏幕和手机的情况。 c) 通过手机进行实时人体运动监测和分析。
 
 
图2. a) 具有两个不同表面的 XSBR/PAANa/MXene 复合材料的照片：XSBR/PAANa 表面和 MXene/PAANa 表面。 b) XSBR/PAANa/MXene 复合材料的功能梯度结构示意图。 c) XSBR/PAANa/MXene 复合材料的 EDS 图像。 d) XSBR/PAANa 表面和 MXene/PAANa 表面的 XPS 调查扫描光谱。 e) PAANa、MXene、XSBR 富集层和 MXene 富集层的 XRD 图案。 f–i) 富含 XSBR 层和富含 MXene 层的 TEM 图像。
 
 
图3. a) 具有不同 MXene 含量的 XSBR/PAANa/MXene 复合材料的 MXene/PAANa 表面的 FTIR 光谱。 XSBR/PAANa 表面和 MXene/PAANa 表面的 b) O 1s 和 c) C 1s 的 XPS 谱。 d) XSBR/PAANa/MXene 复合材料的溶胀比。 e) 当薄膜平面平行于 X 射线束时，具有不同入射角的 XSBR/PAANa/MXene 复合材料的 SAXS 图。 f) 典型的应变-应力曲线，g) XSBR/PAANa/MXene 复合材料的机械性能。
 
 
图4. a) 具有不同 MXene 纳米片含量的 XSBR/PAANa/MXene 复合材料的电导率以及电导率与 (φ–φc) 的对数图。 b) XSBR/PAANa/MXene-6 相对于施加应变的典型相对电阻变化。 c) XSBR/PAANa/MXene-6 在不同应用菌株下随时间变化的相对电阻变化。 d) XSBR/PAANa/MXene 复合材料的 GF 和电导率与报告的 FCE 的比较。 e) XSBR/ PAANa/MXene-6 在 60% 应变下 23 500 s 期间的相对电阻变化。 f–h) XSBR/PAANa/MXene-6 拉伸过程中网络变化的示意图。
 

图5. a) MXene 质量分数为 4、6、8 和 10 wt% 的 XSBR/PAANa/MXene 复合材料的标准化相对电阻变化，作为相对湿度从 11% 增加到 93% 的函数。 b) 复合膜在22%~75%RH下的实时电阻变化曲线。 c)湿度传感器在33%、54%和68%RH下的稳定性测试。 d) XSBR/PAANa/MXene 复合薄膜厚度变化机制示意图。 e) XSBR/PAANa/MXene 复合材料在 33% 和 75% RH 下的 AFM 图像。 f–h) 对指尖上的轻微湿气和吹气有敏感反应
 

图6. a) 应变传感器制备过程。 b) 佩戴者说出“a”、“b”、“c”、“传感器”或“橡胶”时的发声。 c-f) 相对阻力随着手指、腰、肘、膝的弯曲而变化。
 
      相关科研成果由广西大学Chuanhui Xu等人等人于2024年发表在Advanced Functional Materials（https://doi.org/10.1002/adfm.202400789）上。原文：A High-Sensitive Rubber-Based Sensor with Integrated Strain and Humidity Responses Enabled by Bionic Gradient Structure
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202400789

转自《石墨烯研究》公众号