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  在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，對動脈脈搏波形的實時、無創(chuàng)監(jiān)測，可診斷與動脈硬化，高血壓，糖尿病等相關(guān)的心血管問題。此外，由于熱和冷應(yīng)激可影響血管的收縮和舒張，導(dǎo)致動脈硬度和徑向壓力的變化，在檢測和分析動脈脈壓波形的過程中同時監(jiān)測人體體溫的變化，具有重要意義。因此，急需發(fā)展具有高靈敏度，高分辨率，以及在人體生理溫度范圍內(nèi)（30-40 ℃）對溫度和壓力刺激信號具有高辨別性的可穿戴多重傳感器，以便應(yīng)用于實時監(jiān)測人體生理和健康狀態(tài)。

  近期，南開大學(xué)梁嘉杰教授團隊利用二維過渡金屬碳化物MXene與半結(jié)晶聚氧化乙烯（PEO）復(fù)合組裝，制備具有相互獨立的壓阻效應(yīng)（piezoresistive）和熱阻效應(yīng)（pyroresistive）的壓力-溫度雙重傳感氣凝膠材料。該氣凝膠材料具有獨立雙通道傳感結(jié)構(gòu)：一方面，半結(jié)晶PEO插入MXene片層間形成對溫度響應(yīng)的可壓縮的多級層狀孔壁結(jié)構(gòu)。當(dāng)受溫度刺激時，半結(jié)晶PEO在30-40 ℃溫度區(qū)間內(nèi)熔融，并在納米限域效應(yīng)下在MXene層間流平，減少MXene層間距，通過隧穿效應(yīng)減低電阻，產(chǎn)生溫阻效應(yīng)，使氣凝膠具有高達-10.0% / ℃的負電阻溫度系數(shù)以及高達0.2 ℃的溫度響應(yīng)精度。另一方面，柔性多孔孔壁結(jié)構(gòu)具有大長徑比，受力容易產(chǎn)生彎曲形變，產(chǎn)生壓阻效應(yīng)，使氣凝膠可檢測0.05 Pa的壓力信號，壓力傳感靈敏度高達777 kPa^-1。這種獨特的雙傳感通道設(shè)計使得MXene/PEO氣凝膠對壓力和溫度雙重刺激信號具有高精度的分辨性。利用MXene/PEO氣凝膠組裝可穿戴傳感器件，可檢測出具有不同重量和溫度的水滴，還可以檢測出人體在不同體溫狀態(tài)下的動脈脈壓波形的特征峰變化情況。該工作以“Highly Sensitive Temperature–Pressure Bimodal Aerogel with Stimulus Discriminability for Human Physiological Monitoring”為題發(fā)表在《Nano Letters》上（Doi: 10.1021/acs.nanolett.2c01145）。文章第一作者是南開大學(xué)碩士生吳錦華，通訊作者為梁嘉杰教授和紀欣宜博士。

圖1. MXene/PEO氣凝膠的結(jié)構(gòu)和雙重傳感機理圖 

  該工作是梁嘉杰團隊今年在響應(yīng)性氣凝膠傳感材料設(shè)計與制備的研究中取得的又一進展。該工作是在具有高靈敏度的壓力傳感氣凝膠結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上（Nature Communications 2022, 13, 1119；Matter 2022, 5, 1547）的進一步突破，實現(xiàn)了高敏度、高分辨的壓力-溫度雙傳感氣凝膠材料。近年來，梁嘉杰團隊一直從事多功能納米復(fù)合材料的制備與柔性電子皮膚的構(gòu)筑的研究。設(shè)計高性能觸覺傳感材料，發(fā)展高靈敏傳感機制，實現(xiàn)高效的柔性傳感器件構(gòu)筑，是柔性電子皮膚領(lǐng)域發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn)。針對此，團隊基于高分子流變學(xué)Doi-Edwards理論，發(fā)展一系列可印刷高分子納米傳感復(fù)合材料，通過先進印刷打印技術(shù)構(gòu)建可穿戴傳感和功能器件整列（Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1804479；Adv. Energy. Mater. 2019, 9, 1803987；Adv. Energy. Mater. 2020, 10, 1903794；Adv. Mater. 2018, 30, 1804165）。此外，團隊提出了多重界面與多級結(jié)構(gòu)協(xié)同策略，發(fā)展了一系列高性能的高分子納米復(fù)合傳感材料，實現(xiàn)了應(yīng)變、壓力、溫度等觸覺傳感性能的在靈敏度、檢測限、檢測精度、以及使用壽命上的重要突破（ACS Nano 2019, 13, 649; Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1800850; Mater. Hori. 2021, 8, 250；ACS Nano 2019, 13, 8124；Nano Lett. 2022, 22, 3784）。團隊還深入探索了觸覺傳感機理，提出“電子-熱電子”傳感機制，制備了雙響應(yīng)納米復(fù)合材料，實現(xiàn)對“應(yīng)變-溫度”雙重觸覺獨立響應(yīng)性（Nano Lett. 2020, 20, 6176）。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c01145

梁嘉杰博士簡介

  梁嘉杰，南開大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。2011年博士畢業(yè)于南開大學(xué)高分子研究所；隨后加入美國加州大學(xué)洛杉磯分校從事博士后研究工作；2014年加入美國Polyradiant公司；2016年加入南開大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院開展獨立工作，建立柔性印刷功能器件實驗室。梁嘉杰教授一直致力于研究高分子納米復(fù)合材料及其在柔性印刷功能器件的構(gòu)建和集成中的應(yīng)用。研究領(lǐng)域涵蓋高分子化學(xué)與物理、材料科學(xué)與工程、化學(xué)、電子工程學(xué)以及物理學(xué)等眾多交叉學(xué)科。近年來發(fā)表論文40多篇，包括Nature Photonics, Nature Communications, Matter, Advanced Materials, Nano Letters等國際著名期刊雜志，其中8篇入選ESI Top 1%高被引論文，論文他引8800多次。入選國家級青年人才項目，天津市中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，并獲天津市杰出青年基金。