面向智能传感器等战略新兴领域对多功能集成材料的重大需求，陕西科技大学马建中教授、高党鸽教授和美国加州大学圣克鲁兹分校陈少伟教授提出选用MXene和明胶在多孔滤膜上层层组装，构筑具有仿生层级结构的多功能柔性传感材料。通过仿神经突触结构的构建和多功能层的设计，实现了传感性能、致动性能、电磁屏蔽性能等多功能集成。
/图文解读/
仿生层级结构是将顶层仿“壳”结构的MXene，中间层类神经笼状结构的MXene@明胶与底层仿“砖-泥”结构的MXene@多孔滤膜相结合，构建了多功能明胶-MXene柔性传感材料。其中，顶层仿“壳”结构的MXene增强了对电磁波的反射（25 dB），中间层仿神经突触结构的MXene@明胶强化了传感材料的灵敏度（17.8 kPa-1），底层仿“砖-泥”结构的MXene@多孔滤膜提升了传感材料循环稳定性（2000次）；此外，层层之间吸湿率的不匹配能引起传感材料的形状变化，实现了对红外光和湿度的可视化传感。图1为具有仿生多层结构多功能柔性传感材料的构筑示意图及设计思路。
图1 TGM的制备工艺及材料结构。（a）制造过程示意图；（b）TGM顶层：仿“壳”结构；（c）TGM中间层：类神经笼状结构；（d）TGM的底层：“砖”（外部）和“砖泥结构”（内部）。
柔性传感材料的高灵敏度得益于MXene@明胶的类神经笼状结构。在低压时，明胶的突触结构受到挤压发生倾斜，与相邻的MXene发生位置偏移，相对电阻发生变化，产生传感信号。在高压时，明胶的柔性笼被压缩，MXene@明胶内部的MXene相互接触，改变了相对电阻，实现传感。当去除所施加的压力时，突触和柔性笼恢复到原来的形状，恢复了MXene的导电路径和电阻，传感信号恢复。
图2（a）TGM在空气中压力传感测试装置示意图；（b）不同压力下TGM的相对电阻变化；（c）空气中TGM的灵敏度；（d）不同频率下TGM的相对电阻变化；（e）在7.2 kPa压力下进行2000次循环时的传感稳定性；（f）TGM在水下压力传感测试装置示意图；（g）不同压力下TGM的相对电阻变化；（h）水中TGM的灵敏度；（i）不同频率下TGM的相对电阻变化；（j）在1.0 kPa压力下进行2000次循环时的传感稳定性；（k）压力传感机制示意图。
柔性传感材料能够实现可视化传感是因为顶层MXene含有大量疏水基团（-F），导致其吸水量较低；底层多孔滤膜含有丰富的亲水基团（-COOH、-NH2），使得其吸水量较高。由于上下两层的吸湿膨胀不平衡，在红外光照射时，底层蒸发得多，收缩得快，导致柔性传感材料收缩；接着在潮湿环境中，底层吸水快于顶层，柔性传感材料恢复原状。在红外和水分的刺激下也导致了电阻的变化。当柔性传感材料在红外光刺激下致动时，MXene纳米片的层间距增加，导电路径延长，电阻变大。当柔性传感材料在红外光和湿度共同刺激下恢复时，该过程被逆转。
图3 TGM的致动性能。（a）红外刺激下TGM的温度、重量和位移变化。相应的插图是（上）热成像图，（中）质量变化照片和（下）致动照片；（b）红外光或湿度刺激下的TGM测试装置示意图；（c）红外光和湿度刺激下TGM的相对电阻及形状变化；（d）红外光和红外光+湿度刺激3个重复循环的传感实验。
柔性传感材料具有高的电磁屏蔽性能主要是由于高导电性多片层的MXene与类神经突触结构的明胶能够有效反射、耗散和多重损耗电磁波。值得注意的是，该传感材料对电磁波表现出低反射（8 dB）和高吸收（17 dB）的特点，有助于减少电磁波二次的污染。
图4负载不同用量明胶（a）和MXene（b）TGM的电磁干扰屏蔽效果；（c）MXene、GM、TGM的电磁屏蔽性能比较；（d）TGM的电磁屏蔽机制。
该柔性传感器浸泡在0.5 M NaOH溶液中，24小时后基本降解完全，表现出了优异的可降解性。
图5（a）TGM在0.5 M NaOH溶液中放置不同时间的数码照片；（b）降解3 h前后TGM的SEM照片。
/总结/
综上，该研究通过仿生结构的构建和多功能层的设计，构筑了集传感性能、致动性能、电磁屏蔽性能等于一体的柔性传感材料，为制备多功能集成的柔性传感材料提供了新思路。
该研究以“Eco-Friendly Bionic Flexible Multifunctional Sensors Based on Biomass–MXene Composites”为题发表于ACS Sustainable Chem. Eng.。陕西科技大学博士生郑驰为第一作者，马建中教授、高党鸽教授和陈少伟教授为共同通讯作者。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c04712
