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隨著柔性電子器件的高速發展，高密度集成的可拉伸應變傳感陣列對于可穿戴電子設備、仿生機器人和植入式醫療設備等下一代智能應用至關重要。具有寬應變范圍、高靈敏度、快速響應時間、高穩定性和小傳感面積的應變傳感單元是構建高時空分辨率應變傳感器陣列的前提。然而，目前所報道的應變傳感器主要是依賴于基于裂紋機理的導電材料，這類材料在傳感面積和性能之間存在固有矛盾。因此，制備同時具有寬應變范圍、高靈敏度和小傳感面積的柔性應變傳感陣列仍面臨著巨大的挑戰。
成果展示
作者提出了一種新型裂紋調控機制：通過利用S-Ag配位鍵對傳感材料S-MXene/AgNW（S-M/A）傳感薄膜的裂紋尺寸、取向進行調控。S-Ag配位鍵的引入調節了S-M/A傳感薄膜的局部應變場，使其可以形成高密度的網狀裂紋，平均裂紋尺寸降低至60 μm，平均裂紋間隙降低至1 μm，從而在保證S-M/A傳感薄膜具有超高靈敏度和較寬的應變范圍的同時，最大限度地縮小傳感面積。
該論文報道的基于MXene/銀納米線界面相互作用的應變傳感器的傳感面積最小可達到0.25 mm2，同時還具有超寬的工作范圍（0.001-37%）、超高的靈敏度（0.001%應變時的敏感系數約為500，35%應變時的敏感系數大于150000）、快速響應時間（約為5 ms）、低滯后和出色的長期穩定性（在15%的應變下可拉伸-釋放循環超過1000 次）。
該工作以“Ag-Thiolate Interactions to Enable an Ultrasensitive, Stretchable, and Minimal Strain Sensor with High Temporospatial Resolution”發表在Nat. Commun.。
創新點
提出了一種裂紋調控機制，通過采用γ-巰丙基三乙氧基硅烷對MXene進行改性處理，得到巰基封端的MXene（S-MXene）納米片，在AgNW網絡和S-MXene納米片之間引入強、動態和可逆的S-Ag配位鍵，使S-M/A柔性應變傳感器在拉伸過程中產生密集的網狀裂紋，從而克服了基于裂紋機理的柔性應變傳感器中常見的傳感尺寸與傳感性能之間的固有矛盾，實現了具有寬應變范圍、超高靈敏度、低滯后、快速響應、長期穩定性以及低至0.25 mm2傳感面積的柔性應變傳感器。
數據展示
圖1.在S-M/A傳感薄膜中引入S-Ag配位鍵
圖2. S-MXene和S-M/A薄膜的表征
圖3. S-M/A傳感器的應變傳感性能
圖4. S-M/A傳感器與其他文獻的性能對比
圖5. S-M/A傳感薄膜的裂紋調控機制
圖6. 將S-M/A 傳感器陣列應用于脈搏信號測量
成果啟示
作者提出了一種分子級的裂紋調控策略，通過在S-MXene納米片和AgNW網絡交替層組成的無機基質導電薄膜中引入強、動態、可逆的S-Ag配位鍵，制備了一種可拉伸、超靈敏、基于最小裂紋的應變傳感器。
論文信息
發布期刊 Nature Communications
發布時間 2024年6月25日
文章標題 Ag–thiolate interactions to enable an ultrasensitive and stretchable MXene strain sensor with high temporospatial resolution
（https://doi.org/10.1038/s41467-024-49787-9）
研究團隊 | 作者
酥魚 | 編輯
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