柔性和可穿戴压力传感器由于其独特的特性，如灵活性、便携性和优异的传感性能，在世界各地得到了广泛的研究。它们在人工智能、机器人、电子皮肤、医疗保健、物理信号/运动监测等方面显示出广泛的潜在应用。随着对电子皮肤、健康管理和极端压力监测的需求不断增加，迫切需要宽范围响应的柔性压力传感器。人类皮肤可以感知低至100-1000 Pa的微小压力和高达约1MPa的高压。迫切需要宽范围响应的压敏可穿戴电子设备，但其准备仍然是一个挑战。同济大学祖国庆教授课题组报道了基于可拉伸和超弹性还原氧化石墨烯/聚氨酯纳米复合气凝胶的生物启发可穿戴电子产品。该气凝胶具有热压层的梯度结构，可用于超宽检测1 Pa-12.6 MPa的压力。相关工作以“Bioinspired Gradient
Stretchable Aerogels for Ultrabroad-Range Response Pressure-Sensitive Wearable
Electronics and High Efficient Separators”为题发表在国际著名期刊Angewandte
Chemie International Edition上。要点1. 该梯度气凝胶结合了高压缩性、高弯曲性、超弹性和高拉伸性的特性。通过简单的溶胶-凝胶/热压/冷冻浇铸/环境压力干燥（APD）策略，将具有不同杨氏模量和压缩强度的三层rGO/PUF复合气凝胶组合在一起，实现了梯度多孔结构。采用热压方法进一步提高气凝胶高模量层的模量和抗压强度，有效缓解了高压下压缩时阻力变化的饱和趋势，从而显著提高了所得压力传感器的检测上限。气凝胶的低模量层允许压力传感器在低压下压缩时显示出高的阻力变化率，从而有效地提高了灵敏度并降低了检测下限。要点2. 得益于其超弹性和梯度结构，梯度模量从5.4 kPa到430 kPa，梯度压应力（90%应变）从25 kPa到37 MPa，基于梯度气凝胶的柔性压力传感器表现出1 Pa-12.6 MPa的超宽响应范围，这是有史以来报道的最宽范围之一。它们可以承受1
MPa以下的10000次压缩循环，这是传统柔性压力传感器无法实现的。要点3. 该柔性压力传感器可以用作具有宽响应范围的电子皮肤，并且能够监测移动汽车轮胎的各种物理信号/运动和超高压。此外，梯度气凝胶可以用作水净化的高效分离器。这项工作为开发具有广泛压力响应范围和高效分离器的下一代柔性电子产品提供了一种通用策略。图1. 梯度rGO/PUF气凝胶压力传感器的仿生机理和制备说明。（a）人体皮肤的微观结构和柔性压力传感器的仿生梯度结构。（b）热压法制备rGO/PUF-4复合气凝胶。（c）基于MGA-1的压力传感器的制备。图2. rGO/PUF复合气凝胶的照片、微观结构和化学结构。图3. 梯度rGO/PUF复合气凝胶压缩后的力学性能和形态变化。图4. 基于MGA-1的压力传感器的结构、机理和传感性能。图5. 在脉搏监测、语音识别、运动检测和电子皮肤中演示基于MGA-1的压力传感器。图6. MGA-1和均质rGO/PUF复合气凝胶的分离性能。Bioinspired Gradient Stretchable
Aerogels for Ultrabroad-Range Response Pressure-Sensitive Wearable Electronics
and High Efficient Separators
Xiaoyu
Zhang, Zhenyu Hu, Qi Sun, Xing Liang, Puzhong Gu, Jia Huang, Guoqing Zu*DOI: 10.1002/anie.202213952
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