超彈性氣凝膠具有快速響應和恢復時間，以及即使在大變形下也能具有出色的形狀恢復性能，在可穿戴傳感器應用中需求量很大。本文，哥倫比亞大學Penghui Zhu、Feng Jiang等研究人員在《Small》期刊發(fā)表名為“Superelastic Cellulose Sub-Micron Fibers/Carbon Black Aerogel for Highly Sensitive Pressure Sensing”的論文，研究成功研制了一種新型導電超彈性纖維素基氣凝膠。氣凝膠結合了纖維素亞微米纖維和炭黑 （SMF/CB） 納米顆粒的網絡，通過雙冰模板組裝和靜電組裝方法的結合實現。組裝的纖維素亞微米纖維的摻入賦予氣凝膠顯著的超彈性，使其即使在經歷 94 次壓縮/恢復循環(huán)后仍能保持其原始高度的 6.10%。
此外，靜電組裝的 CB 納米粒子還為纖維素氣凝膠帶來了卓越的導電性。這種導電性和超彈性的結合使 SMF/CB 氣凝膠的響應時間達到了令人印象深刻的 7.7 毫秒，恢復時間達到了 12.8毫秒，超過了以往研究中報道的許多氣凝膠傳感器。作為概念驗證，利用 SMF/CB 氣凝膠構建了一個壓力傳感器和一個傳感陣列，它們對人體的輕微和劇烈運動都表現出卓越的響應能力，這表明它在人體健康監(jiān)測和人機交互方面具有巨大的應用潛力。
圖文導讀
圖1、SMF/CB氣凝膠設計策略示意圖
圖2、CNF、SMF 和 SMF/CB 懸浮液和氣凝膠的形態(tài)表征
圖3、SMF和SMF/CB氣凝膠的機械性能
圖4、SMF/CB氣凝膠的傳感性能
圖5、SMF/CB氣凝膠在檢測各種人體運動中的應用演示
綜上所述，通過雙冰模板和靜電組裝工藝，采用自下而上的方法將CB納米顆粒與SMF集成，成功開發(fā)了一種導電和超彈性氣凝膠。SMF/CB氣凝膠具有優(yōu)異的彈性和耐久性，在88%應變下壓縮7次和94 6次循環(huán)后，最大應力和高度分別保持40.50%和10.000%。此外，SMF/CB氣凝膠還表現出良好的傳感性能，檢測限低至20 Pa，工作范圍從20 Pa到6.5 kPa，靈敏度高達0.234 kPa?1，響應時間短，為 7.7 毫秒，恢復時間為 12.8 毫秒。最后，SMF/CB氣凝膠對咳嗽、吞咽、語音識別、脈搏和肢體運動等各種人體運動表現出優(yōu)異的響應性，在人體健康監(jiān)測和人機交互領域具有潛在的應用前景。
