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  最近，智能可穿戴設(shè)備發(fā)展迅速。然而，傳統(tǒng)的可穿戴設(shè)備通常使用剛性電子元件和硬材料，這限制了設(shè)備的舒適性和靈活性。柔性可穿戴技術(shù)是一種新型電子技術(shù)。與傳統(tǒng)的硅基電子器件相比，柔性可穿戴式壓電傳感器具有輕薄、柔軟、舒適等優(yōu)點(diǎn)。目前，多功能可穿戴技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)，如運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互和可穿戴醫(yī)療設(shè)備。然而，為了滿足當(dāng)前應(yīng)用的實(shí)際需要，柔性壓電傳感器在其高靈敏度、高分辨率、快速響應(yīng)和良好的穩(wěn)定性方面遇到了挑戰(zhàn)。

  近日，北京石油化工學(xué)院師奇松副教授課題組在《POLYMER》期刊上發(fā)表題為“Synergetic effect of MXene/MoS₂ heterostructure and gradient multilayer for highly sensitive flexible piezoelectric sensor”的論文。在本研究中，采用了梯度多層和2D/2D（MXene/MoS₂）異質(zhì)結(jié)的新概念，可以有效地促進(jìn)界面耦合效應(yīng)，將更多的3^1-螺旋構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫嬷中螛?gòu)象，顯著改善多層復(fù)合纖維薄膜的介電、鐵電和壓電性能，從而提高其輸出性能。

  該傳感器表現(xiàn)出高度靈敏，能夠檢測(cè)到手指彎曲等細(xì)微的人體動(dòng)作，以及監(jiān)控人體在投籃運(yùn)動(dòng)中身體各個(gè)部位的信號(hào)。優(yōu)異的機(jī)械性能使壓電傳感器具有柔性、輕便等特點(diǎn)。此外，傳感器具有良好的透氣性，可以直接附著在皮膚上，使皮膚能夠正常呼吸，并減少因長(zhǎng)時(shí)間佩戴傳感器而導(dǎo)致皮膚刺激的可能性，從而提高傳感器的舒適性。在可穿戴式人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)中具有很大的應(yīng)用潛力。

本文亮點(diǎn)：

1. 基于每一層MoS₂的濃度，通過逐層靜電紡絲制備的PAN梯度多層纖維薄膜。

2. 由MXene和MoS₂形成的2D/2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)，與PAN的-CN產(chǎn)生了氫鍵的相互作用，增強(qiáng)了壓電性能。

3. 異質(zhì)結(jié)構(gòu)和梯度多層結(jié)合的新概念，增強(qiáng)界面耦合。

4. 能夠監(jiān)測(cè)人體細(xì)微的生理活動(dòng)和感知人體的大幅度運(yùn)動(dòng)

5. 該纖維薄膜用作可穿戴傳感器，增強(qiáng)透氣性，使佩戴者感到舒適。

圖1. PAN 3^1-螺旋構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫嬷中螛?gòu)象的機(jī)理圖。

圖2. PAN多層復(fù)合纖維膜的開路電壓：(a)在不同的力下，(b)力-電壓線性圖，(c)手指不同彎曲角度，(d)不同厚度，(e)厚度-電壓線性圖，(f)不同接觸面積。(g)壓縮?釋放6000 次循環(huán)。(h)反應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間。(i)反向和正向連接。

圖3. (a)PAN纖維膜和(b)PAN多層纖維膜的接觸角。(c)不同樣品覆蓋物下水分蒸發(fā)的示意圖。(d)不同材料下剩余水質(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系圖。

圖4. 不同學(xué)生在PAN復(fù)合多層光纖薄膜傳感器上寫下“B”、“I”、“P”、“T”的電壓輸出信號(hào)。

圖5. PAN多層纖維復(fù)合膜的開路電壓：(a)手腕，(b)內(nèi)肘、(c)肘、(d)腿、(e)-(g)膝彎曲不同的角度；(h)-(j)不同行走姿勢(shì)。

  論文第一作者為北京石油化工學(xué)院新材料與化工學(xué)院2021級(jí)碩士生黃妍，論文通訊作者為北京石油化工學(xué)院師奇松副教授和燕山大學(xué)梁永日教授。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.polymer.2023.126399