可逆机械调控导电/导热的单组分生物碳气凝胶实现双模压力-温度传感

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Single-Component Elastic Biocarbon Aerogel with Reversibly Mechanotunable Electrical and Thermal Conductivities for Dual-Mode Pressure–Temperature Sensing

本文报道了一种以蟹壳来源几丁质纳米纤维为前驱体，通过定向冷冻干燥和形态保留热解制备的单组分弹性生物碳气凝胶。该材料具有优异的压缩性、弹性及可逆机械调控的孔结构、电导率（0.33至3.26 S m–1）和热导率（0.031至0.223 W m–1K–1），实现了在单信号输出通道下的双模（压力-温度）传感：在单侧加热高达100 °C时仍能进行温度不敏感的动态压力传感（灵敏度高达36.8 kPa–1）；通过压缩应变（0%与80%）切换，可实现温度传感的“开/关”调控（灵敏度分别为0.01和0.44 °C–1）。该工作为可持续、微型化的可穿戴电子（如皮肤健康监测、软体机器人触觉传感）提供了简单而可靠的平台。

　　

形态保留热解制备生物纳米纤维气凝胶

生物碳气凝胶的制备以生物质纳米纤维（几丁质、纤维素或丝素纳米纤维）的水分散体为原料，通过冷冻铸造、冷冻干燥及高温热解（800 °C）完成。其中，几丁质纳米纤维气凝胶在热解过程中表现出最优的形态保留能力，热重分析显示其重量保留率（9.42%）和体积保留率（39.4%）均高于纤维素（4.95%，15.8%）和丝素纳米纤维（28.8%，5.62%），这归因于几丁质分子中乙酰氨基基团带来的更高热稳定性。傅里叶变换红外光谱证实了热解后材料的碳化及氢键减弱。因此，后续研究聚焦于几丁质纳米纤维衍生的生物碳气凝胶。

生物碳气凝胶的孔结构定制

通过调控冷冻方式可精确设计气凝胶的孔结构。在液氮中普通冷冻产生随机孔隙；在液氮外定向冷冻（无铜箔）形成层状结构；而采用铜箔辅助的定向冷冻则引导冰晶沿铜箔表面垂直生长，最终获得具有蜂窝状有序各向异性微米级孔道的气凝胶。力学性能测试表明，具有有序孔结构的气凝胶在80%应变压缩-释放循环中表现出高达50 kPa的应力和良好的形状恢复能力，其应力-应变曲线呈现典型的线性弹性、屈曲平台和致密化三阶段，优于随机或层状孔结构的气凝胶，这得益于有序孔道有效分散了应力集中。

有序孔结构生物碳气凝胶的弹性性能与抗疲劳性

该生物碳气凝胶展现出卓越的弹性，高速摄影显示其能以约1600 mm s^–1的速率快速回弹，性能优于多数已报道的化石源碳气凝胶。在16万次80%应变循环压缩测试中，气凝胶的应力保留率和塑性变形在初期（1万次循环）有所变化后趋于稳定，扫描电镜证实其微观孔结构在循环后仍得以保持，表明其具有优异的抗疲劳性能，这源于由弱相互作用连接的生物碳纳米纤维构成的柔软薄孔壁以及有序孔道的可逆机械调控特性。

生物碳气凝胶的温度不变量压力传感性能

气凝胶的电导率随压缩应变可逆变化（0%应变时为0.33 S m^–1，80%应变时为3.26 S m^–1），表现出压阻效应。在25 °C下，其对压力的灵敏度（S_P）高达36.8 kPa^–1，且在压力减小阶段的灵敏度更高。关键的是，在34.2至100 °C的单侧加热条件下，气凝胶在压缩-释放循环中的相对电流变化（ΔI/I₀）保持稳定，实现了温度不变量压力传感。这归因于其低压应变下极低的面外热导率（0.031 W m^–1K^–1）以及压力对电导率的主导性调控作用。将该气凝胶制成可穿戴压力传感器，可成功监测眨眼、声带振动等生理信号，并在16万次循环后仍保持稳定的信号输出。

生物碳气凝胶的开/关可切换温度传感性能

未压缩（0%应变）的气凝胶因其多孔结构（密度7.4 mg cm^–3）和内部大量空气，具有优异的面外隔热性能（单侧200 °C加热时顶面温度仅约33 °C）。因此，其ΔI/I₀在30至200 °C加热范围内几乎无变化，温度灵敏度（S_T）低至0.01 °C^–1。相反，压缩至80%应变后，气凝胶被压实，热导率升至0.223 W m^–1K^–1，热量传递增强，导致其ΔI/I₀随温度升高而显著增加（至72.2），S_T高达0.44 °C^–1。这种通过简单机械压缩/释放实现的热导率切换，使气凝胶具备了“开/关”可切换的温度传感能力。将其制成皮肤贴附传感器，可在深蹲运动前后成功监测手背皮肤温度变化（约35-36 °C升至37-40 °C）以及手腕处的脉搏信号（运动前66 min^–1，运动后98 min^–1），展示了在体温度-压力同步检测的潜力。

结论

本研究成功开发了一种基于可持续几丁质纳米纤维的单组分生物碳气凝胶，其通过可逆机械调控的孔结构、电导率和热导率，实现了在单一信号输出通道下的高性能、可切换的双模（压力-温度）传感。该材料为可穿戴健康监测和软体机器人等领域的微型化、智能化电子设备提供了一个简单、可靠且可持续的平台。未来的挑战在于实现压力与温度信号的完全解耦、更高精度的检测以及自供能传感。