北科納米可提供MXene水凝膠（可定制）

研究背景

成果簡介

圖文導(dǎo)讀

文章重點研究了水凝膠的溫度響應(yīng)特性。與應(yīng)變傳感類似，將銅電極接入水凝膠后，在恒定電壓下將其置于溫度場中以考察材料的溫敏性能（圖4a）。初始溫度恒定為24°C，器件分別在冷場（圖4b）與熱場（圖4c）作用下表現(xiàn)出優(yōu)異的熱敏電阻特性。據(jù)其相對電阻變化率計算所得電阻溫度系數(shù)（TCR，圖4d）分別為?5.27% °C?1（0°C?30°C）與?1.11% °C?1（30°C?80°C），均高于未添加甘油或Ti3C2Tx的器件靈敏度。凝膠在80 °C下循環(huán)三次后略微失水導(dǎo)致初始電阻增大，然而將循環(huán)后的器件重新置于甘油水溶液中浸泡120 s后，其導(dǎo)電性及溶劑含量成功恢復(fù)至循環(huán)前的水平，表明在熱場下循環(huán)后的器件可借助于簡易的“浸泡法”實現(xiàn)高效“充電”，且測試結(jié)果表明PVA晶區(qū)因受甘油保護(hù)而在80 °C下不被溶解，相比于未添加甘油的PVA水凝膠具有更為寬廣的溫度響應(yīng)區(qū)間。另外，“充電”后的凝膠TCR與圖4d結(jié)果極其接近，表明凝膠器件可借助“充電”策略實現(xiàn)穩(wěn)定的重復(fù)使用性。

Ti3C2Tx的引入改善了凝膠的導(dǎo)熱性，借助原位變溫拉曼技術(shù)探索材料的熱振動模式?；跓崤蛎浶?yīng)，位于202 cm?1的Ti3C2Tx峰（圖4e, f）對應(yīng)于Ti，C原子的面內(nèi)及面外振動，雖然峰強(qiáng)度未受溫度影響，但峰位移卻隨溫度升高反而降低，且凝膠中位于2921 cm?1的C?H伸縮振動峰強(qiáng)度（圖4g, h）產(chǎn)生類似的現(xiàn)象，但其峰偏移呈現(xiàn)相反趨勢。據(jù)此，凝膠的溫度響應(yīng)機(jī)理歸因于熱引發(fā)的隧道電子效應(yīng)，即Ti3C2Tx確保熱量在凝膠內(nèi)部的有效傳遞，其傳遞方式主要為PVA晶區(qū)振動及聚合物鏈運(yùn)動，且熱激發(fā)的電子可借助于Ti3C2Tx實現(xiàn)片層間傳遞。能帶理論表明，Ti3C2分子通常為金屬性，而經(jīng)表面修飾后所制備的Ti3C2Tx表現(xiàn)出窄帶隙的半導(dǎo)體特性，因此載流子濃度在熱場作用下進(jìn)一步提升，器件電阻與溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。

基于凝膠器件優(yōu)異的溫度響應(yīng)特性，團(tuán)隊開發(fā)了面向飛行器安全監(jiān)測的聚合物基太陽能帆板鉸鏈展開溫度監(jiān)控系統(tǒng)（圖5a）。鉸鏈由電致形狀記憶聚合物導(dǎo)電復(fù)合材料構(gòu)成，將凝膠器件固定于鉸鏈中，在外加電壓驅(qū)動的焦耳熱作用下，鉸鏈材料溫度（初始溫度為24°C）超過其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，分子鏈運(yùn)動加劇，內(nèi)應(yīng)力釋放從而發(fā)生展開形變，同時凝膠器件電阻受溫度影響而改變。利用商用紅外相機(jī)記錄不同外加電壓下監(jiān)控系統(tǒng)的實時溫度變化（圖5b），結(jié)合有限元模擬對鉸鏈材料的展開形變（圖5c）及凝膠器件的溫度分布（圖5d）進(jìn)行分析，得到不同外加電壓對監(jiān)控系統(tǒng)展開時間和最終展開溫度的影響（圖5e）。展開過程中鉸鏈材料受熱導(dǎo)致凝膠器件的電阻降低，待其完全展開后撤去外加電壓使系統(tǒng)自然冷卻，電阻逐漸恢復(fù)至初始水平（圖5f）。記錄電阻變化率最小值，結(jié)合實際最終展開溫度計算得出TCR為?0.87% °C?1，與圖4a結(jié)果接近，表明凝膠器件可線性反映鉸鏈的溫度變化，有望用于飛行器的安全檢測領(lǐng)域。

總結(jié)

? ? ? ?本文基于DIW打印技術(shù)對Ti3C2Tx復(fù)合PU/PVA水凝膠實現(xiàn)結(jié)構(gòu)?需求定制化設(shè)計，PVA結(jié)晶及分子間氫鍵促進(jìn)凝膠化，基于結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)和熱引發(fā)的隧道電子效應(yīng)，以及Ti3C2Tx窄帶隙半導(dǎo)體特性，水凝膠展現(xiàn)出穩(wěn)定的應(yīng)變傳感行為和優(yōu)異的可“充電”式溫度響應(yīng)性能，并成功應(yīng)用于太陽能帆板鉸鏈的溫度監(jiān)測。該工作不僅為水凝膠基柔性傳感器的設(shè)計開辟了一條途徑，也加深了對于不同模態(tài)下傳感機(jī)制的理解，還將推動柔性傳感器件在航空航天等特殊領(lǐng)域的應(yīng)用探索。

文獻(xiàn)鏈接

https://www.nature.com/articles/s41467-022-31051-7

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