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  隨著人工智能的快速發(fā)展，智能傳感材料的需求與日俱增。近年來，研究人員采用不同的方法合成了多種多樣的功能材料用于制備智能傳感器件。然而，采用一種單一的材料簡(jiǎn)便地制備具有溫度、應(yīng)變和壓力傳感性能的柔性多功能傳感器件仍然充滿挑戰(zhàn)。

  為此，同濟(jì)大學(xué)的青年教師祖國(guó)慶研發(fā)了一種超疏水且極為柔韌的還原氧化石墨烯/聚有機(jī)硅氧烷復(fù)合氣凝膠，并且采用這種單一的聚有機(jī)硅氧烷氣凝膠材料制備了高性能、多功能的柔性傳感陣列用于高效的溫度、應(yīng)變和壓力傳感。

圖1. 還原氧化石墨烯/聚有機(jī)硅氧烷復(fù)合氣凝膠的合成路線示意圖。

  該氣凝膠材料的合成基于以下三個(gè)步驟：（1）采用胺丙基三乙氧基硅烷對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行交聯(lián)和還原獲得胺基硅烷改性的還原氧化石墨烯氣凝膠；（2）將乙烯基甲基二甲氧基硅烷自由基聚合獲得聚乙烯基甲基二甲氧基硅烷聚合物；（3）采用乙烯基甲基二甲氧基硅烷和聚乙烯基甲基二甲氧基硅烷聚合物對(duì)上述還原氧化石墨烯氣凝膠進(jìn)行進(jìn)一步交聯(lián)得到石墨烯/聚有機(jī)硅氧烷復(fù)合氣凝膠。

圖2.（a,b）氣凝膠的XRD和紅外圖譜。（c,d）N2吸附測(cè)試。（e-g）氣凝膠的SEM照片。（h-j）氣凝膠的TEM照片。（k）氣凝膠的接觸角。

  該氣凝膠材料具有珊瑚狀的三網(wǎng)絡(luò)納米結(jié)構(gòu)，由相互交聯(lián)的還原氧化石墨烯納米片、聚乙烯-聚（甲基硅氧烷）和聚（乙烯基甲基硅氧烷）構(gòu)成。由于其獨(dú)特的三網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該氣凝膠結(jié)合了超疏水、高可壓縮性、高可彎曲性、超彈性、優(yōu)異的可加工性以及對(duì)溫度、壓力和應(yīng)變敏感的傳導(dǎo)性能，這些優(yōu)異的性能是傳統(tǒng)的材料所不具備的。另外，基于該還原氧化石墨烯/聚有機(jī)硅氧烷氣凝膠的柔性多功能傳感陣列能夠探測(cè)20-100℃的溫度、0.1-80%的大范圍應(yīng)變和10 Pa-110 kPa的大范圍壓力，并且具有高的靈敏度以及抗壓縮、抗彎曲和耐潮濕的良好耐久性能。該工作將為柔性多功能多孔材料的合成以及多功能柔性電子皮膚的設(shè)計(jì)提供新的思路。

圖3. 還原氧化石墨烯/聚有機(jī)硅氧烷氣凝膠的柔性和彈性。（a-e）氣凝膠的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（f）同其它已報(bào)道的石墨烯基氣凝膠接觸角和可逆壓縮應(yīng)變的比較。（g）單軸壓縮照片。（h）彎曲照片。（i,j）壓縮和彎曲過程中結(jié)構(gòu)變化示意圖。

圖4. 還原氧化石墨烯/聚有機(jī)硅氧烷氣凝膠的溫度、應(yīng)變和壓力傳感性能。（a）電阻隨溫度的變化曲線。（b）抗壓縮性能測(cè)試。（c）抗彎曲性能測(cè)試。（d）耐潮濕測(cè)試。（e,f）電阻隨壓縮應(yīng)變的變化曲線。（g）氣凝膠能夠經(jīng)受10000次50%的壓縮循環(huán)。（h）不同溫度下電阻隨壓縮應(yīng)變的變化曲線。（i,j）電阻隨壓力的變化曲線。（k）氣凝膠對(duì)不同壓力和應(yīng)變的響應(yīng)。

圖5. 基于還原氧化石墨烯/聚有機(jī)硅氧烷氣凝膠的多功能柔性傳感陣列及其傳感性能。

  以上成果發(fā)表在Chemistry of Materials （Chem. Mater. DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b02437）上面，論文的第一作者和通訊作者為同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的青年教師祖國(guó)慶，共同通訊作者為京都大學(xué)的Kazuyoshi Kanamori教授。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.9b02437