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《碳纳米管上的功能化溶胶凝胶基质用于可更新柔性气体传感器》

  • 来源专题：纳米科技
  • 编译者： 郭文姣
  • 发布时间：2018-08-28

  • 我们报道了一种碳纳米管上的染料官能化溶胶-凝胶基质，用于湿度校准的可更新和柔性气体传感器。我们用溶胶-凝胶法，通过在碳纳米管网络的顶部官能化染料分子，制备了气体传感器。使用具有不同染料分子的混合气体传感器，我们可以通过光学和电信号选择性地检测各种有害气体，如NH3、Cl2和SO2气体。传感器表现出相当大的电导变化，超过50%，即便暴露在某种气体允许的暴露浓度范围内。重要的是，我们可以通过简单地将它们暴露于新鲜的N2气体而不使用任何热处理来翻新使用的气体传感器。此外，我们的传感器可以弯曲以形成通用的实用传感器设备，如用于通风管的管状传感器。这项工作显示了一种简单但强大的方法来建立可更新的和选择性的气体传感器，用于多种工业和学术应用。

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  • 《苏州纳米所制备出超柔性氮化硼纳米带气凝胶》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2019-04-09
    • 气凝胶，被誉为改变世界的新材料，具有孔隙率高、比表面积大、密度低、绝热性能好等优异理化性质，在热 / 声 / 电绝缘、催化剂 / 药物载体、星际尘埃收集、环境修复、能源与传感等领域具有重要应用前景。然而，其自身力学缺陷，如强度弱、易脆、变形能力差等弊端，尤其是较宽温度范围内抵抗不同载荷冲击能力，成为气凝胶获得实际应用的最重要障碍之一。 针对上述问题，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张学同领导的气凝胶团队与德国科学家合作，将实验设计与理论计算相结合，通过溶剂组分调控氢键网络，寻找到一条简便、高效、绿色的合成路径，成功制备得到超柔性氮化硼纳米带气凝胶，并实现了气凝胶材料在很宽温度范围内（-196°C~1000°C）及不同载荷冲击形式（压缩、弯曲、扭曲、剪切等）下的柔性保持。 研究表明，该氮化硼气凝胶由超薄（ ~3.2 nm ）、大长径比（几百）、多孔带状纳米结构相互缠绕、搭接而成，表现出超轻（ ~15 mg cm -3 ）、热绝缘（ ~0.035 W/mK ）、高比表面积（ ~920 m 2 g -1 ）及优异的力学性能。该气凝胶在多次循环压缩、扭曲、弯曲、剪切等不同载荷下，可保持结构不被破坏、且可快速恢复至原有形状。当该气凝胶被浸泡在液氮中，其压缩 - 回弹性能仍能够很好保持。进一步地，当氮化硼气凝胶被放置于酒精灯火焰或高于 1000 ° C 的管式炉（空气氛围）时，其稳定的力学柔性仍被完好保留，且可承受不同载荷的冲击。上述氮化硼气凝胶的超柔性展示如下图所示。 该工作以 Boron Nitride Aerogels with Super-Flexibility Ranging from Liquid Nitrogen Temperature to 1000°C 为题，发表在国际期刊《先进功能材料》（ Advanced Functional Materials , 2019, 29,1900188）上。
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  • 《基于3D打印水凝胶用于柔性传感及脑电信号的采集》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2021-01-12
    • 近年来，柔性电子在可穿戴设备、电子皮肤等众多应用中扮演着越来越重要的角色，以水凝胶为基质设计的柔性电子由于其良好的导电性、柔性以及生物相容性等特点受到广泛的关注，在柔性传感器、柔性能源器件及人机接口等方面表现出广阔的应用前景。面投影微立体光刻3D打印技术（PμSL）可快速制造并成型任意形状和定制设计的结构，为以水凝胶基质设计的柔性电子器件的制造提供了灵活性和简便性。结合3D打印技术，并对水凝胶进行诸如超抗冻、超拉伸、导电等性能设计，在一定程度上拓宽了水凝胶的功能和应用范围。 近日，湖南大学王兆龙助理教授、段辉高教授与上海交通大学郑平院士等人合作，该团队基于摩方精密（BMF）超高精度光固化3D打印机nanoArch S/P140，开发了一种能够耐受-115℃极高导电能力的水凝胶体系，实现了极低温条件下的可穿戴设备运动信号检测及脑电信号高精度采集。文章以“3D Printed Ultrastretchable, Hyper-Antifreezing Conductive Hydrogelfor Sensitive Motion and Electrophysiological Signal Monitoring”为题发表在Research（Volume 2020 |Article ID 1426078）上。其中，王兆龙助理教授及硕士研究生陈雷为共同一作。 基于面投影微立体光刻技术制造水凝胶结构，首先，作者通过计算机辅助设计（CAD）软件生成的3D模型按照特定层厚切片为一系列平行的二维数字图像，然后，这些切出来的2D图案被传输到DMD芯片上，DMD芯片通过2D图案的形状调节其上照射的紫外光（LED，405nm）。具有相应定义的2D图案的成形紫外光通过一个缩小透镜，该透镜将2D图像投影到具有缩小特征尺寸的水凝胶前体溶液上。图案化的紫外光照射将会使水凝胶前体溶液在相应区域发生局部聚合反应并成型附着在打印平台上。再控制降低打印平台，紫外光投影照射继续打印下一层。这个过程反复进行，直到整个水凝胶结构被制造出来（图1）。研究者引入亲水性的三元醇作为光引发剂TPO-L的良性溶剂，将不溶于水的TPO-L均匀分散在水中，提高光引发剂引发效率，结合光固化3D打印nanoArchS/P140设备的离型膜的快速离型，大大提高水凝胶的光固化速度；利用纳米羟基磷灰石与水凝胶高分子链之间形成强烈的物理作用，从而提高3D打印水凝胶的拉伸性（2500%），并进一步提高其机械强度；三元醇和高浓度离子盐的协同作用赋予了水凝胶极佳的导电性和抗冻性（-115℃左右），3D打印水凝胶在极低温情况下仍然能够完成拉伸、弯曲和扭转的动作，并具有一定的低温导电性（图2）。 图1 基于面投影微立体光刻技术的水凝胶加工过程 图2 水凝胶的力学、电学和抗冻性能设计 优异的机械性能和良好的导电性能使其3D打印水凝胶能够作为应变传感器用于识别包括手指弯曲、发声及吞咽等人体运动信号（图3）；水凝胶还可作为柔性电极检测和采集诸如人睁、闭眼时的脑/眼电信号（EEG/ EOG），当志愿者在闭上眼睛并放松时，脑电信号显示出明显的α波（8~13Hz），当志愿者睁开眼睛并积极思考时，脑电α波即刻消失并逐渐向β波（14~30Hz）方向移动。与当前最精确的传统脑电信号采集装置对比实验表明，新体系水凝胶可以准确采集大脑中的脑电信号，反映大脑活动的整体信息，显示出在人机交互，特别是低温领域的脑机接口等方面的应用潜力（图4）。 图3 柔性应变传感器应用 图4 水凝胶柔性电极脑机接口应用 总而言之，本研究基于面投影微立体光刻技术，引入亲水性的三元醇作为光引发剂TPO-L的良性溶剂，利用纳米羟基磷灰石提高拉伸性，并结合高浓度的离子盐和三元醇作为导电介质和抗冻剂，使得所开发的水凝胶体系具有优异机械、导电和抗冻性能，并且可作为柔性应变传感器实现对人体运动和微弱信号的实时监控，同时可进一步用作脑机接口，准确采集大脑中的脑电信号，包括α、β波以反映大脑活动的整体信息。本文提出的水凝胶在电子皮肤、人机交互甚至极低温情况下的可穿戴设备中具有良好的应用前景。未来，微尺度3D打印技术的加入使得复杂3D结构多功能柔性电子和复杂脑机接口的快速制造成为可能。
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