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木质基水凝胶压力传感器研制成功

来源:中国科学报2020-09-23 09:16

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  木材基水凝胶传感器(CPS)结构以及内部交联机理

  木材经过科学家的深入研究,现在竟然还能用来制作传感器。

  最近,《应用材料与界面》刊发浙江农林大学研究生聂康晨等人成果,他们通过引入离子导电聚电解质后发现,一种复合材料便能够同时起到隔膜和聚电解质的作用,可用于研发柔性电容式传感器(CPS),未来在人机界面等方面有很大的应用潜力。

  聂康晨在沈晓萍、孙庆丰等老师指导下研究发现,在水凝胶的合成中,利用脱木素后木材天然的纤维素排列结构,往往能起到增强力学性能的效果,并且这种木质基水凝胶还拥有木材的各向异性。

  聂康晨介绍说,以聚丙烯酸(PAA)水凝胶为例,木材纤维素和水凝胶之间主要是通过氢键作用相互连接。PAA前驱溶液渗透到脱木素后木材的丰富孔道中,相互形成很强的三维空间交联,聚合之后又添加了铝离子,能够和PAA发生螯合作用,并且带来了离子导电性能。对比普通PAA水凝胶,在拉伸方面,木质基水凝胶变得非常坚韧,这点很像木材。而木质基水凝胶的压缩性能,也在横向、径向、弦向三个方向大为不同,如同木材的各向异性。

  “我们在研究中发现,由于杨木早晚材处理后孔道数量分布的影响,木质基水凝胶弦切向会拥有更多层次的PAA填充,因此压缩回弹性能更加优秀。”聂康晨说,由于木材自身具有的一些性能,其多种化学键建议起到加强结构的作用。

  相关研究还发现,材料不同截面的利用也不一样。“这种木质基水凝胶不同方向的切片,柔性是不同的,作为CPS的装配材料,我们研究了以其径切面和弦切面为介电层制作的电容传感器,其电极一端是褶皱化处理的氧化还原石墨烯薄膜(rGO)。弦切面由于拥有木质基水凝胶中最为优异的压缩回弹性能,因此获得的CPS灵敏性能也最为优秀。” 聂康晨介绍说。

  此外,师生们还展示了一些CPS的应用场景模拟,以及良好的稳定性测试结果:这种各向异性的木材水凝胶成功地模拟了类似肌肉组织的机械性能和传感功能,与褶皱化rGO一起组装成的CPS拥有高灵敏性,宽量程以及良好的稳定性,开拓了木质基材料在传感器领域的研究思路,在人工智能的各个方面提供了应用潜力。

  “我们团队的相关研究成果,可以在人工智能的各个领域实现广泛使用作为柔性材料,CPS可以代替传统键盘内部的硬质金属传感电路,制备可折叠键盘;木材水凝胶的尺寸和形状可以根据需求随意裁剪,从而为人工智能机器人制备感应“皮肤”;在各类运动设施,如拳击手套、跑跳板、握力测试等设备上安装CPS,即可得到实时训练数据。”聂康晨说。(崔雪芹 陈胜伟)

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41551-020-00613-9

[ 责编:赵清建 ]
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