成果簡介
微觀結構是決定氣凝膠材料宏觀特性的關鍵因素，並對其在各種套用場景中的效能產生重要影響。 本文，中國科學院蘭州化學物理研究所 楊生榮教授團隊在【ACS Appl. Electron. Mater】期刊 發表名為「Superelastic Graphene Aerogels Constructed by Structural Modulation for Piezoresistive Sensing」的論文， 研究從氣泡樣版的微觀結構調控中汲取靈感，在石墨烯氣凝膠（GA）的制備過程中使用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）對氧化石墨烯奈米片進行微觀調控。 同時，十二烷基硫酸鈉（SDS）發泡被用作氣泡樣版，以幫助構建具有分層多孔結構的 PVP/SDS-GA (PSGA)。
這種創新的結構藍圖從本質上促進了應力的更均勻分布，從而增強了氣凝膠的抗壓力度。PSGA 的先進結構可透過環境壓力和高溫方法實作快速幹燥，從而簡化了制造過程。PSGA 具有幾個顯著特點：2.84 毫克/立方厘米的超低密度、10 S/m 的高導電率、99% 的極限應變超彈性、70% 應變下可承受 10,000 次迴圈的出色抗疲勞性以及 0.66 兆帕的高抗壓力度。鑒於這些特性，使用 PSGA 作為基礎構思的壓阻傳感器表現出卓越的訊號辨識能力。
圖文導讀
圖1.（a） PSGA的制備示意圖。（b） GO和PVP的交聯方案。
圖2.（a） GO奈米片的TEM影像。（b） GO、PVP 和 PSGA-2 的 XRD 繞射圖。（c） GO、PVP 和 PVP/GO 的 FTIR 光譜。（D-F）不同放大倍率下PSGA-2的SEM影像。
圖3.（a） PSGA樣品的密度和電導率。（b） 不同PVP含量的PSGA的 I-V 曲線。（c） PSGA-2在10-99%應變下的壓縮曲線。（d） PSGA-2在不同速率下的壓縮曲線;PSGA-2 在 （e） 70% 應變下迴圈 10,000 次和 （f） 90% 應變下迴圈 1000 次後的疲勞壓縮試驗和能量損失系數。
圖4.PSGA-2壓阻式傳感器的傳感效能
圖5.一種壓阻式傳感器，可檢測 （a） 輕呼吸、（b） 深呼吸、（c） 脈搏跳動、（d） 吞咽、（e） 輕微手指彎曲和 （f） 跑步等各種訊號。
小結
我們利用PVP和SDS的表面活性劑對GA的內部結構進行深度調控，成功地制備了PSGA。主要的挑戰在於透過微調GO與表面活性劑之間的交互作用，實作PSGA梯度多孔結構的平滑實作。這種結構設計有助於應力更均勻的分散，從而增強材料的抗壓力度。由於結構最佳化，PSGA可以透過常壓和高溫方法快速幹燥，從而簡化了整個制備過程。重要的是，PSGA表現出超低密度（2.84 mg/cm3）、良好的導電性 （10 S/m）、極高的彈性（99% 的應變可恢復性）、高抗疲勞性（在 70% 應變下可承受 10,000 次壓縮迴圈）和抗壓力度 （0.66 MPa），以及其他有前途的效能特征。基於這些特性，采用PSGA制備的壓阻式傳感器表現出優異的訊號辨識能力，有望在電子皮膚領域發揮更大的價值。
文獻：
https://doi.org/10.1021/acsaelm.3c01637
