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武漢大學天然高分子呂昂團隊 Mater. Horiz.：合理設(shè)計應(yīng)用于超靈敏壓力傳感器的纖維素水凝膠
2023-08-14  來源：高分子科技

  作為可將機械感覺轉(zhuǎn)化為電信號的各種設(shè)備，柔性可穿戴的壓力傳感器已在人工智能、人機界面和健康檢測等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，而對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)計和調(diào)控纖維素水凝膠，以實現(xiàn)靈敏度的飛躍


  近期，武漢大學化學與分子科學學院天然高分子呂昂團隊只使用纖維素而不添加第二成分，從納米和微米兩個角度出發(fā)（圖1），采用零浪費、綠色的方法，合理設(shè)計了一種纖維素離子導電水凝膠 (ICH)，可用于超靈敏壓力傳感器。通過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ICH還具有高透明度、優(yōu)異的耐久性和良好的導電性。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)療和運動識別等多個領(lǐng)域。該設(shè)計還適用于壓阻型傳感器，可實現(xiàn)更高的靈敏度。這種經(jīng)濟、有效、環(huán)保的技術(shù)無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化學與分子科學學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)狀尺寸也會增大，導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. 模擬輸液場景并將ICH應(yīng)用于檢測微弱壓力


  如圖4所示，通過建立一個病人正在輸液的場景，然后將 ICH 傳感器放置在不同位置以檢測微小的壓力范圍（1 Pa 至 1 kPa），就可以通過檢測生理信號（包括脈搏、呼吸、心跳和輸液）來實時監(jiān)測病人的健康狀況。


  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


作者簡介


呂昂

本文通訊作者

武漢大學 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、副教授，武漢大學化學與分子科學學院張俐娜院士團隊。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)域具有較強的影響力。任現(xiàn)職以來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.等國際期刊發(fā)表四十余篇學術(shù)論文；授權(quán)中國發(fā)明專利3項；參編“十二五”國家重點圖書《纖維素科學與材料》一部和美國化學會論著一部；入選2014年度湖北省“楚天學子”計劃，入選2016年度武漢大學珞珈青年學者計劃；主持國家自然科學基金三項。

Email：anglu@whu.edu.cn

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