美国科研人员开发MXene水凝胶 兼具导电自修复特性
2026-03-20 11:29
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材料工程师将MXene纳米片与溶剂化离子结合,研制出具备自修复功能的水凝胶,能够在高机械应变下保持稳定的功率输出。

一种利用这种弹性复合材料作为电子皮肤的功能性智能手套,用于实时触觉数据捕获。

在软体机器人领域,重复拉伸常导致导电通路中断。传统刚性导体易分层,普通弹性体变形时电阻会大幅上升。

为解决这一问题,研究人员采用了双导渗流机制。通过把MXene纳米片嵌入弹性体基质,将高电子传输效率与水凝胶固有的离子导电性融合,从而改善循环疲劳,使软体机器人接口在变形时维持电连续性。

为优化电性能,工程师通过调控纳米材料比例来构建渗流网络。测试显示,在自修复弹性体传感器中,MXene/MWCNT复合材料在3.5 wt%时达到临界渗流阈值,这一比例在保证电子流动的同时维持了机械弹性。

MXene纳米片形成持久电子通路,与溶剂化锂、钠离子产生的离子导电性相辅相成。为增强网络连接,常加入导电聚合物如PEDOT:PSS和离子盐,以提升电荷转移效率。混合电荷传输机制有助于在湿度变化时稳定电输出,解决了纯电子传感器的可靠性难题。

摩擦纳米发电机(TENGs)的工作原理和操作模式示意图:(A) 垂直接触-分离;(B) 单电极;(C) 横向滑动;(D) 独立摩擦电层配置。由《聚合物凝胶基摩擦纳米发电机:面向先进传感应用的导电性和形态工程》提供。

MXene的集成显著增强了摩擦纳米发电机(TENGs)的表面电荷生成。实验数据证实,特定SA/MXene/PAAm水凝胶配置可产生491.98 V的最大开路电压和75.41 µA的短路电流。相比之下,基准PAA/rGO双网络凝胶的短路电流为48.7 µA。

通过复合材料设计,研究人员实现了更高性能:MXene/CuO复合材料达到810 V的最大开路电压和10.84 W/m²的峰值功率密度;混合低温凝胶提供7.44 W/m²的功率密度;TA@CNC/MXene变体则为69.97 mW/m²。

为确保长期耐用性,配方师采用三种化学策略为聚合物基质编程自修复能力:动态氢键用于木质素磺酸盐或儿茶酚改性系统;硼酸酯键应用于掺杂硼酸盐的PVA基水凝胶;金属配位网络利用儿茶酚-金属相互作用促进快速恢复。修复速度受交联密度影响,部分基质可实现即时修复,其他在25°C下需1到10分钟完成结构恢复。

基于这些弹性水凝胶,开发者已制造出多种交互设备,如用于实时手势可视化的PTSM-TENG系统手套、智能体育监测的触觉电子皮肤传感器,以及能捕获连续触觉压力数据的抓握辅助手套。

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