隨著柔性器件和可穿戴設(shè)備的發(fā)展，柔性碳材料受到了各國研究人員的廣泛關(guān)注。盡管目前已發(fā)展多種方法獲得具有良好壓縮性、彈性的碳材料，但制備兼具高壓縮、高回彈、抗疲勞、寬范圍線性靈敏度的碳材料仍具很大的挑戰(zhàn)性。

MXene作為一種新型的納米二維片層材料，具有比表面積高、導(dǎo)電性好且機(jī)械強度高等優(yōu)勢，在傳感、能量儲存、電催化和電磁屏蔽等方面具有潛在的應(yīng)用價值。但是，由于納米片之間缺乏足夠強的相互作用，導(dǎo)致構(gòu)建具有良好力學(xué)性能的MXene宏觀結(jié)構(gòu)材料具有很大的挑戰(zhàn)性。

最近，華南理工大學(xué)鐘林新等人以MXene (Ti3C2)納米片為骨架材料、細(xì)菌纖維素（Bacterial Cellulose; BC）為納米連接材料制備了一種新型的彈性碳?xì)饽z（圖1）。由于BC具有很高的長/徑比，在冷凍干燥過程中可通過相互纏繞將MXene片連接形成連續(xù)、有序的片層結(jié)構(gòu)。此外，BC之間以及BC和MXene之間的氫鍵作用增加了復(fù)合氣凝膠的機(jī)械性能。由于這些結(jié)構(gòu)特性，該碳?xì)饽z不僅具有超高的可壓縮性（壓縮極限為99%，相當(dāng)于完全壓縮）、彈性與抗疲勞性（50%應(yīng)變下，循環(huán)壓縮100000次后高度保留93.3％，應(yīng)力保留73.6%），而且具有寬范圍線性靈敏度（應(yīng)力和應(yīng)變線性范圍分別為0-10 kPa和0-95%）和對微小形變、微小壓力的超高檢測能力（應(yīng)力檢測極限為1.0 Pa）。將該碳?xì)饽z組裝成簡易電子器件后，可實現(xiàn)對聲帶發(fā)聲、關(guān)節(jié)活動和脈搏跳動等人體生物信號的靈敏檢測，顯示了在壓力傳感、可穿戴電子器件等方面具有重要的應(yīng)用價值。

相關(guān)論文發(fā)表在Chemistry of Materials，陳澤虹為該論文的第一作者，鐘林新、彭新文為共同通訊作者。

圖1 彈性碳?xì)饽z的制備流程圖

圖2表明，純MXene碳?xì)饽z為無序碎片結(jié)構(gòu)（圖2a），且壓縮性能差（圖2d）。以BC為納米材料連接MXene納米片時，復(fù)合碳?xì)饽z形成了連續(xù)、有序的片層結(jié)構(gòu)（圖2c）；該結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的壓縮性能（圖2f），在99%應(yīng)變下可循環(huán)壓縮超過100次，在50%應(yīng)變下循環(huán)壓縮100000后保持原來的高度，表現(xiàn)出了優(yōu)異的可壓縮性和抗疲勞性（圖3）。

圖2 碳?xì)饽z的形貌、力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)示意圖。(a-c) C-MX, C-BC和C-MX/BC-2的掃描電鏡圖；(d-f) C-MX, C-BC和C-MX/BC-2的壓縮性能圖；(g和h) C-MX和C-BC的壓縮結(jié)構(gòu)示意圖；(i) C-MX/BC-2的可逆壓縮結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 C-MX/BC-2的高壓縮和抗疲勞性。(a)不同應(yīng)變下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b) 95%應(yīng)變下循環(huán)壓縮300次的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(c) 99%應(yīng)變下循環(huán)壓縮100次的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(d) 50%應(yīng)變下循環(huán)壓縮100000次的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(e) 50%應(yīng)變下循環(huán)壓縮100000次的應(yīng)力保留對比圖；(f) 50%應(yīng)變持續(xù)壓縮15天的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(g-j) 50%應(yīng)變下循環(huán)壓縮5000和100000次后的掃描電鏡圖。

得益于獨特的片層結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的機(jī)械性能，該碳?xì)饽z不僅靈敏度高、線性好、線性范圍廣（0-10 Pa線性靈敏度12.5 kPa-1），且對微小應(yīng)力檢測極限可達(dá)1.0 Pa，具有優(yōu)異的傳感性能（圖4）。組裝成簡易傳感器后可對人體關(guān)節(jié)活動、發(fā)音和脈搏等進(jìn)行靈敏檢測。

圖4 C-MX/BC-2的靈敏度和傳感應(yīng)用。(a) 1000次循環(huán)后的歸一化電阻R/R0；(b) 寬范圍的線性靈敏度；(c) 微小應(yīng)力的檢測；(d) 傳感器件的組裝；(e) 人體聲帶信號的檢測；(f) 手指彎曲的電流響應(yīng)；(g和h) 人體脈搏的電流響應(yīng)；(i) 電流響應(yīng)和恢復(fù)時間。

文獻(xiàn)詳情：Compressible, Elastic, and Pressure-Sensitive CarbonAerogels Derived from 2D Titanium Carbide Nanosheets and Bacterial Cellulosefor Wearable Sensors. Chem. Mater. 2019, 31, 9, 3301-3312