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  靈敏度與檢測限是壓力傳感器中的關鍵傳感性能參數(shù)。同時具備高靈敏度和低檢測限的可穿戴壓力傳感器能夠精準感應和監(jiān)測微弱的力學信號，在智能應用中具有重要應用前景。但受材料構(gòu)效關系制約，傳統(tǒng)壓力傳感材料難以同時實現(xiàn)超低壓力檢測限和超高靈敏度，因此急需新的材料設計思路以實現(xiàn)傳感材料性能突破。

  近期，南開大學梁嘉杰教授和陳永勝教授團隊合作，利用過渡金屬碳化物MXene與bottlebrush-like超柔性聚硅氧烷進行插層組裝，制備具有多級層狀孔壁結(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)合具有大長徑比的柔性微孔壁結(jié)構(gòu)，該復合氣凝膠具有超低模量（140 Pa@10 mg/cm³），可對很微弱的壓力刺激產(chǎn)生快速響應性。同時，多層納米孔道結(jié)構(gòu)收縮時通過隧穿效應可產(chǎn)生大量的導電通路變化。因此，該壓力傳感氣凝膠材料可以檢測到最低0.0063 Pa壓力信號，在0-0.02 Pa超低壓力范圍內(nèi)的靈敏度超過1900 kPa^-1；且具有優(yōu)異的傳感穩(wěn)定性，經(jīng)過一萬次壓縮循環(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確監(jiān)測到非常微弱的人體頸內(nèi)靜脈搏動的脈沖信號，監(jiān)測蚊子（~ 1.75 mg）的降落和起飛信號，以及檢測到頭發(fā)（~ 0.21 mg）的壓力分布（圖3）。這種新材料的制備將為開發(fā)能精確檢測到超弱力學信號所需的超靈敏傳感器提供一個新的設計思路。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大學史鑫磊博士。

圖1 MXene復合氣凝膠材料的可收縮納米通道結(jié)構(gòu)

圖2 MXene復合氣凝膠的壓力傳感性能

圖3 MXene復合氣凝膠壓力傳感器的應用

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

梁嘉杰博士簡介

  梁嘉杰，南開大學材料科學與工程學院教授，博士生導師。2011年博士畢業(yè)于南開大學高分子研究所；隨后加入美國加州大學洛杉磯分校從事博士后研究工作；2014年加入美國Polyradiant公司（高級研發(fā)工程師）；2016年加入南開大學材料科學與工程學院開展獨立工作，建立柔性印刷功能器件實驗室。梁嘉杰教授一直致力于研究高分子納米復合材料及其在柔性印刷功能器件的構(gòu)建和集成中的應用。研究領域涵蓋高分子化學與物理、材料科學與工程、化學、電子工程學以及物理學等眾多交叉學科。近年來發(fā)表論文40多篇，包括Nature Photonics, Nature Communications, Matter, Advanced Materials, Nano Letters等國際著名期刊雜志，其中8篇入選ESI Top 1%高被引論文，論文他引8800多次。入選國家級青年人才項目，天津市中青年科技創(chuàng)新領軍人才，并獲天津市杰出青年基金。