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我院杜宗良教授团队在生物质基柔性传感材料方向取得研究进展

发布时间:2021年11月15日 10:01   文章来源:   浏览次数:

近期,我院纺织研究所杜宗良/王海波团队在生物质基传感器材料领域取得研究进展,系列研究成果在国际高水平刊物上发表。超疏水性可穿戴纺织电子器件在医疗监测和人工智能等领域有着广泛的应用前景。MXenes是新兴的二维(2D)碳化物和碳氮化物,具有超高的导电性和机械柔性,是制造可穿戴电子器件的理想候选材料。为了在恶劣条件下保持棉织物的高导电性和长期稳定性,通过在棉纤维基底上构建2D MXene纳米片和零维(0D)硅纳米颗粒(SiNPs),成功地制备了防水和高灵敏度可穿戴的MX@SiNPs传感器。制备的MX@SiNPs传感器表现出对压力、弯曲和扭转的高性能传感响应,具有超高的压缩灵敏度(S1=12.23 kPa−1),在多次压缩循环和超宽传感范围(压力:8.8 Pa–70 kPa,弯曲度:0–180°,扭转:0 - 628 rad m−1)下有稳定的电化学响应。而MX@SiNPs传感器由于其分层结构和SiNPs层的低表面能,可以在潮湿和腐蚀条件下保持固有导电性。这种兼具防水和高灵敏度的MXene基棉织物为传感器的广泛应用和大规模制备奠定了基础,延长了传感器的使用寿命。相关研究以“Hierarchical design of waterproof, highly sensitive, and wearable sensing electronics based on MXene-reinforced durable cotton fabrics”为题发表在Chemical Engineering Journal上。

Scheme 1. Schematic illustration of the fabrication procedure of MX@SiNPs cotton fabric.

水凝胶作为一类高度亲水的三维网络结构,赋予了水凝胶传感器特有的柔性和生物相容性,但目前水凝胶的断裂强度和断裂伸长率还不够满足作为柔性传感器的需要。为了同时提高材料的高拉伸性和拉伸强度以及赋予水凝胶传感器优异传感性能,该团队采用原位还原法用PDAAgNPs沉积在纤维素纳米纤维表面制备得到AgNPs沉积PDA包覆的纤维素纳米纤维(PNAg),以PNAg纤维为互穿网络,通过AM单体的自由基聚合制备了一种基于纤维素纳米纤维(NFC)和聚丙烯酰胺(PAM)共价交联网络的PNAg水凝胶,并组装得到水凝胶双模式传感器。纤维素纳米纤维赋予水凝胶优异的机械性能;银纳米粒子为水凝胶传感器提供了优异的抗菌性能和长效抗菌性能。相关研究以“Skin-inspired nanofibrillated cellulose-reinforced hydrogels with high mechanical strength, long-term antibacterial, and self-recovery ability for wearable strain/pressure sensors”为题发表在Carbohydrate Polymers。该系列研究工作第一作者为博士研究生王双,通讯作者为杜宗良教授和王海波副教授。

Scheme 2. Schematic illustration of the preparation of the nanocomposite hydrogel

该团队一直致力于高性能生物基柔性传感器材料的设计和开发,并进行全面和深入的探索,有望在未来的研究工作中取得更多的研究成果。

论文链接:

  1. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127363

  2. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.117894

 

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