大自然的神奇杰作值得科學(xué)家們用一輩子的時(shí)間來(lái)研究,這些神工鬼斧一般的精巧結(jié)構(gòu),往往是我們的靈感來(lái)源。木材是我們生活中最普通,最常見(jiàn)的材料之一,令人意外的是,這種材料竟然也能用來(lái)制作傳感器。
最近,浙江農(nóng)林大學(xué)孫慶豐與沈曉萍等人的研究發(fā)現(xiàn),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(jié)構(gòu),往往能起到增強(qiáng)力學(xué)性能的效果,并且這種木質(zhì)基水凝膠還擁有木材的各向異性。再通過(guò)引入離子導(dǎo)電聚電解質(zhì),對(duì)于柔性電容式傳感器(CPS)而言,這種復(fù)合材料便能夠同時(shí)充當(dāng)其隔膜和聚電解質(zhì),在人機(jī)界面等方面有很大的應(yīng)用潛力。
多種化學(xué)鍵加強(qiáng)結(jié)構(gòu):
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(guò)氫鍵作用相互連接。PAA前驅(qū)溶液滲透到脫木素后木材的豐富孔道中,相互形成很強(qiáng)的三維空間交聯(lián),聚合之后又添加了鋁離子,能夠和PAA發(fā)生螯合作用,并且?guī)?lái)了離子導(dǎo)電性能。
木材基水凝膠傳感器(CPS)結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部交聯(lián)機(jī)理
木材基水凝膠三切面電鏡圖
對(duì)比普通PAA水凝膠,在拉伸方面,木質(zhì)基水凝膠變得非常堅(jiān)韌,這點(diǎn)很像木材。而木質(zhì)基水凝膠的壓縮性能,也在橫向、徑向、弦向三個(gè)方向大為不同,如同木材的各向異性。
木質(zhì)基水凝膠的軸向拉伸以及三切面方向壓縮性能測(cè)試
由于楊木早晚材處理后孔道數(shù)量分布的影響,木質(zhì)基水凝膠弦切向會(huì)擁有更多層次的PAA填充,因此壓縮回彈性能更加優(yōu)秀。
木質(zhì)基水凝膠三切面方向壓縮機(jī)理圖
材料不同截面的利用:
這種木質(zhì)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,他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)。
rGO電極表面3D顯微鏡圖和原子力電鏡圖
弦切面由于擁有木質(zhì)基水凝膠中最為優(yōu)異的壓縮回彈性能,因此獲得的CPS靈敏性能也最為優(yōu)秀。
徑切向、弦切向水凝膠切片組裝CPS性能圖
研究者還展示了一些CPS的應(yīng)用場(chǎng)景模擬,以及良好的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果。
CPS應(yīng)用場(chǎng)景模擬圖
這種各向異性的木材水凝膠成功地模擬了類(lèi)似肌肉組織的機(jī)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(wěn)定性,開(kāi)拓了木質(zhì)基材料在傳感器領(lǐng)域的研究思路,在人工智能的各個(gè)方面提供了應(yīng)用潛力。
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