超靈敏、高壓縮、抗疲勞、可彎曲石墨烯碳氣凝膠

【引言】

隨著柔性器件和可穿戴設備的發展， 柔性碳材料受到了各國研究人員的廣泛關注。 儘管目前發展了多種方法獲得了具有良好壓縮性、彈性的碳材料， 但製備兼具高壓縮、高回彈、抗疲勞、超靈敏傳感的碳材料仍具很大的挑戰性。

【成果簡介】

華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室鐘林新、彭新文教授和北京林業大學孫潤倉教授（共同通訊作者）等人近期在Advanced Materials上發表了題為“A Supercompressible, Elastic, and Bendable Carbon Aerogel with Ultrasensitive Detection Limits for Compression Strain, Pressure, and Bending Angle”的文章， 該團隊通過納米纖維素納米微晶（CNC）支撐與外碳源焊接作用的新方法製備了同時具有高壓縮與超回彈、優異可彎曲性能及超靈敏壓力與形變傳感的碳氣凝膠。

通過CNC的納米支撐作用可構建低密度、結構穩定的氣凝膠， 而CNC和小分子碳源的碳焊接作用增強了rGO之間的作用力， 形成了更連續、形狀記憶性能更好的柔性波浪形碳層結構。 該碳氣凝膠不僅具有超高的可壓縮性（99%， 材料可壓縮的極限， 相當於完全壓縮）、彈性與抗疲勞性（迴圈壓縮10000次後高度沒有明顯下降）， 而且同時具有極好的可彎曲性與對微小形變、微小壓力的超高傳感能力,檢測極限值分別為0.0125%和0.25 Pa， 低於目前報導的碳材料的檢測極限。 該碳氣凝膠可感應超低的彎曲形變角度（0.052°）， 並且可組裝成可穿戴電子器件， 對人體脈搏的跳動強度實現靈敏檢測， 在壓力傳感、可穿戴電子器件等方面具有重要的應用價值。 論文第一作者為研究生卓浩。

【圖文導讀】

圖1 C-CNC/rGO-X 碳氣凝膠的製備、結構以及彈性示意圖

（a）C-CNC/rGO-X 碳氣凝膠導向冷凍鑄造示意圖， 其中X代表葡萄糖（glucose）和尿素（urea）；

（b-e）C-CNC/GO, C-CNC/rGO-urea, C-CNC/rGO-glu2和C-CNC/rGO-glu5碳氣凝膠的掃描電鏡圖， 比例尺為100微米；

（f）C-rGO碳氣凝膠不可逆壓縮的數碼照片以及結構示意圖；

（g）C-CNC/rGO-glu2碳氣凝膠可逆壓縮的數碼照片以及結構示意圖。

圖2 C-CNC/rGO-X 碳氣凝膠的高壓縮性、高彈性和抗疲勞性

（a）50%應變下迴圈壓縮的高度保留；

（b）C-CNC/rGO 碳氣凝膠50%應變下1000次迴圈壓縮的應力應變曲線；

（c）C-CNC/rGO-urea 碳氣凝膠在50%應變下迴圈壓縮10000次的應力應變曲線；

（d）C-CNC/rGO-glu2 碳氣凝膠在50%應變下迴圈壓縮10000次的應力應變曲線；

（e）C-CNC/rGO-glu5 碳氣凝膠在50%應變下迴圈壓縮10000次的應力應變曲線；

（f）C-CNC/rGO-glu2 碳氣凝膠在90%應變下迴圈壓縮100次的應力應變曲線；

（g）C-CNC/rGO-glu2 碳氣凝膠在99%應變下迴圈壓縮100次的應力應變曲線。

圖3 基於碳氣凝膠壓縮電阻式的應力應變傳感

（a）10次迴圈後的歸一化電阻R/R0，

內置圖為壓縮應變ε ≤ 5%時的應變靈敏係數；

（b）歸一化電阻R/R0的抗疲勞性（迴圈壓縮10000次以上）；

（c）微小應變的傳感；

（d）微小應力下傳感；

（e-f）30%與90%壓縮應變下回應電流的迴圈穩定性。

圖4 簡易感測器件的彎曲與傳感性能

（a）C-CNC/rGO-glu2彎曲前後的數碼照片；

（b）微小彎曲下的電阻圖， 組裝的簡易感測器可以檢測出微小的彎曲角度（0.052°）；

（c）不同彎曲角度下的歸一化電阻圖；

（d）不同迴圈次數下的歸一化電阻圖；

（e）簡易感測器的彎曲機理模型；

（f）簡易感測器最大厚度（d1）的計算值和實驗值。

圖5 C-CNC/rGO-glu2碳氣凝膠組裝的簡易感測器用於可穿戴器件

（a）手指點擊的電流回應；

（b）未施加壓力和生物信號的電流回應；

（c）人體脈搏的電流回應，規律的間隔為1.08s；

（d）脈搏信號的放大圖，可以明顯看出P1,P2和P3峰。

【小結】

作者提出了通過CNC的納米支撐與外碳源焊接作用的新方法來製備同時具有高壓縮與超回彈、優異可彎曲性能及超靈敏壓力與形變傳感的碳氣凝膠。該碳氣凝膠不僅具有超高的可壓縮性（、彈性與抗疲勞性，而且同時具有極好的可彎曲性與超穩定的壓力—電流回應行為。更重要的是，該碳氣凝膠對微小形變和微小壓力具有超高的傳感性能，並可組裝成可穿戴電子器件，在壓力傳感、可穿戴電子器件等方面具有重要的應用價值。

文獻連結：A Supercompressible, Elastic, and Bendable Carbon Aerogel with Ultrasensitive Detection Limits for Compression Strain, Pressure, and Bending Angle （Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201706705）

組裝的簡易感測器可以檢測出微小的彎曲角度（0.052°）；

（c）不同彎曲角度下的歸一化電阻圖；

（d）不同迴圈次數下的歸一化電阻圖；

（e）簡易感測器的彎曲機理模型；

（f）簡易感測器最大厚度（d1）的計算值和實驗值。

圖5 C-CNC/rGO-glu2碳氣凝膠組裝的簡易感測器用於可穿戴器件

（a）手指點擊的電流回應；

（b）未施加壓力和生物信號的電流回應；

（c）人體脈搏的電流回應，規律的間隔為1.08s；

（d）脈搏信號的放大圖，可以明顯看出P1,P2和P3峰。

【小結】

作者提出了通過CNC的納米支撐與外碳源焊接作用的新方法來製備同時具有高壓縮與超回彈、優異可彎曲性能及超靈敏壓力與形變傳感的碳氣凝膠。該碳氣凝膠不僅具有超高的可壓縮性（、彈性與抗疲勞性，而且同時具有極好的可彎曲性與超穩定的壓力—電流回應行為。更重要的是，該碳氣凝膠對微小形變和微小壓力具有超高的傳感性能，並可組裝成可穿戴電子器件，在壓力傳感、可穿戴電子器件等方面具有重要的應用價值。

文獻連結：A Supercompressible, Elastic, and Bendable Carbon Aerogel with Ultrasensitive Detection Limits for Compression Strain, Pressure, and Bending Angle （Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201706705）