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  靈敏度與檢測(cè)限是壓力傳感器中的關(guān)鍵傳感性能參數(shù)。同時(shí)具備高靈敏度和低檢測(cè)限的可穿戴壓力傳感器能夠精準(zhǔn)感應(yīng)和監(jiān)測(cè)微弱的力學(xué)信號(hào)，在智能應(yīng)用中具有重要應(yīng)用前景。但受材料構(gòu)效關(guān)系制約，傳統(tǒng)壓力傳感材料難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)超低壓力檢測(cè)限和超高靈敏度，因此急需新的材料設(shè)計(jì)思路以實(shí)現(xiàn)傳感材料性能突破。

  近期，南開(kāi)大學(xué)梁嘉杰教授和陳永勝教授團(tuán)隊(duì)合作，利用過(guò)渡金屬碳化物MXene與bottlebrush-like超柔性聚硅氧烷進(jìn)行插層組裝，制備具有多級(jí)層狀孔壁結(jié)構(gòu)的壓力傳感氣凝膠材料（圖1）。由于bottlebrush-like聚硅氧烷的引入，使得MXene氣凝膠材料的微孔壁內(nèi)部形成具有可壓縮性的多層納米孔道結(jié)構(gòu)；結(jié)合具有大長(zhǎng)徑比的柔性微孔壁結(jié)構(gòu)，該復(fù)合氣凝膠具有超低模量（140 Pa@10 mg/cm³），可對(duì)很微弱的壓力刺激產(chǎn)生快速響應(yīng)性。同時(shí)，多層納米孔道結(jié)構(gòu)收縮時(shí)通過(guò)隧穿效應(yīng)可產(chǎn)生大量的導(dǎo)電通路變化。因此，該壓力傳感氣凝膠材料可以檢測(cè)到最低0.0063 Pa壓力信號(hào)，在0-0.02 Pa超低壓力范圍內(nèi)的靈敏度超過(guò)1900 kPa^-1；且具有優(yōu)異的傳感穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)一萬(wàn)次壓縮循環(huán)后，靈敏度仍能保持1800 kPa^-1以上（圖2）。優(yōu)異的壓力傳感特性使得氣凝膠傳感器件和陣列能夠以非侵入性的方式準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到非常微弱的人體頸內(nèi)靜脈搏動(dòng)的脈沖信號(hào)，監(jiān)測(cè)蚊子（~ 1.75 mg）的降落和起飛信號(hào)，以及檢測(cè)到頭發(fā)（~ 0.21 mg）的壓力分布（圖3）。這種新材料的制備將為開(kāi)發(fā)能精確檢測(cè)到超弱力學(xué)信號(hào)所需的超靈敏傳感器提供一個(gè)新的設(shè)計(jì)思路。該工作以“Pushing detectability and sensitivity for subtle force to new limits with shrinkable nanochannel structured aerogel”為題發(fā)表在《Nature Communications》上（Nat. Commun. 2022, 13, 1119.）。文章第一作者是南開(kāi)大學(xué)史鑫磊博士。

圖1 MXene復(fù)合氣凝膠材料的可收縮納米通道結(jié)構(gòu)

圖2 MXene復(fù)合氣凝膠的壓力傳感性能

圖3 MXene復(fù)合氣凝膠壓力傳感器的應(yīng)用

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28760-4

梁嘉杰博士簡(jiǎn)介

  梁嘉杰，南開(kāi)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。2011年博士畢業(yè)于南開(kāi)大學(xué)高分子研究所；隨后加入美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校從事博士后研究工作；2014年加入美國(guó)Polyradiant公司（高級(jí)研發(fā)工程師）；2016年加入南開(kāi)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院開(kāi)展獨(dú)立工作，建立柔性印刷功能器件實(shí)驗(yàn)室。梁嘉杰教授一直致力于研究高分子納米復(fù)合材料及其在柔性印刷功能器件的構(gòu)建和集成中的應(yīng)用。研究領(lǐng)域涵蓋高分子化學(xué)與物理、材料科學(xué)與工程、化學(xué)、電子工程學(xué)以及物理學(xué)等眾多交叉學(xué)科。近年來(lái)發(fā)表論文40多篇，包括Nature Photonics, Nature Communications, Matter, Advanced Materials, Nano Letters等國(guó)際著名期刊雜志，其中8篇入選ESI Top 1%高被引論文，論文他引8800多次。入選國(guó)家級(jí)青年人才項(xiàng)目，天津市中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，并獲天津市杰出青年基金。