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《中國科學報》:木質基水凝膠壓力傳感器研制成功
【發布日期: 2020-09-23】 【來源: 】 【作者:】 【編輯:陳勝偉】 【點擊量:

木材經過科學家的深入研究,現在竟然還能用來制作傳感器。

最近,《應用材料與界面》刊發浙江農林大學研究生聶康晨等人成果,他們通過引入離子導電聚電解質后發現,一種復合材料便能夠同時起到隔膜和聚電解質的作用,可用于研發柔性電容式傳感器(CPS),未來在人機界面等方面有很大的應用潛力。

聶康晨在沈曉萍、孫慶豐等老師指導下研究發現,在水凝膠的合成中,利用脫木素后木材天然的纖維素排列結構,往往能起到增強力學性能的效果,并且這種木質基水凝膠還擁有木材的各向異性。

聶康晨介紹說,以聚丙烯酸(PAA)水凝膠為例,木材纖維素和水凝膠之間主要是通過氫鍵作用相互連接。PAA前驅溶液滲透到脫木素后木材的豐富孔道中,相互形成很強的三維空間交聯,聚合之后又添加了鋁離子,能夠和PAA發生螯合作用,并且帶來了離子導電性能。對比普通PAA水凝膠,在拉伸方面,木質基水凝膠變得非常堅韌,這點很像木材。而木質基水凝膠的壓縮性能,也在橫向、徑向、弦向三個方向大為不同,如同木材的各向異性。

“我們在研究中發現,由于楊木早晚材處理后孔道數量分布的影響,木質基水凝膠弦切向會擁有更多層次的PAA填充,因此壓縮回彈性能更加優秀?!甭櫩党空f,由于木材自身具有的一些性能,其多種化學鍵建議起到加強結構的作用。

相關研究還發現,材料不同截面的利用也不一樣?!斑@種木質基水凝膠不同方向的切片,柔性是不同的,作為CPS的裝配材料,我們研究了以其徑切面和弦切面為介電層制作的電容傳感器,其電極一端是褶皺化處理的氧化還原石墨烯薄膜(rGO)。弦切面由于擁有木質基水凝膠中最為優異的壓縮回彈性能,因此獲得的CPS靈敏性能也最為優秀?!?聶康晨介紹說。

此外,師生們還展示了一些CPS的應用場景模擬,以及良好的穩定性測試結果:這種各向異性的木材水凝膠成功地模擬了類似肌肉組織的機械性能和傳感功能,與褶皺化rGO一起組裝成的CPS擁有高靈敏性,寬量程以及良好的穩定性,開拓了木質基材料在傳感器領域的研究思路,在人工智能的各個方面提供了應用潛力。

“我們團隊的相關研究成果,可以在人工智能的各個領域實現廣泛使用作為柔性材料,CPS可以代替傳統鍵盤內部的硬質金屬傳感電路,制備可折疊鍵盤;木材水凝膠的尺寸和形狀可以根據需求隨意裁剪,從而為人工智能機器人制備感應“皮膚”;在各類運動設施,如拳擊手套、跑跳板、握力測試等設備上安裝CPS,即可得到實時訓練數據?!甭櫩党空f。

相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41551-020-00613-9


http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/9/445994.shtm 《中國科學報》:2020.9.24

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