背景简介
根据工作机理的不同，大多数压力传感器可分为压阻式传感器、压电式传感器和电容式传感器。然而，这些设备通常需要额外的电源作为驱动力，并且输出信号往往与被测压力呈非线性关系，从而极大地限制了它们在未来生物电子设备中的应用。因此，对自供电压力传感器的开发是未来生物电子设备的发展趋势。这其中的关键问题是如何实现机械能和电能之间的线性转换和对压力方向的感知。利用电动能转换（EKEC）技术是一种行之有效的解决方案。具体来说，当电解液在外界压力下流过离子选择性膜时，由于膜表面电荷的静电排斥行为，只有反离子能够通过膜，从而导致了压力差下净电荷的定向运动，促进电信号的产生。近年来，典型的二维材料如氧化石墨烯，MXenes，硫化钼等已被用于制备离子选择性膜，堆叠的二维纳米片之间存在的层间距充当纳米流体通道，降低了传输阻力，并使离子能够快速选择性渗透。然而二维材料制成的膜在实际应用中存在固有缺陷，包括离子扩散距离较长、离子选择性较低，以及在水中的持久性较差。因此，开发基于高性能渗透选择性膜的EKEC压力传感器仍然是一个挑战。
解决的问题
近日，华中科技大学刘逆霜和高义华教授团队提出了一种受浆膜结构启发的基于EKEC技术的压力传感器，它包含一种新型的部分还原氧化石墨烯（prGO）膜。在这个仿浆膜结构中，含有-COOH基团的“Trial”结构被认为是离子过滤器和离子导体，它促进了阳离子在外界刺激下的定向迁移，导致净电荷的定向流动，从而产生电流（或电压）信号。实现了具有自供电，线性输出和方向感知的压力传感。该自供电仿生压力传感器性能良好，优化后的响应灵敏度为0.282 nA Pa-1，响应/恢复时间为90/110 ms，并具有长期稳定性。为下一代自供电仿生压力传感器提供了有意义的设计思路和更大的开放视野。
主要亮点
1、由Helmholtz-Smoluchowski方程可以知道，基于离子选择性，在压力下产生的电能可以达到基本的线性关系。本文利用EKEC技术，制成的压力传感器基本实现了压力和电能的线性转换。
2、向大自然学习是人类生存和可持续发展的永恒主题。本文制备的仿浆膜结构prGO-Trail膜具有对阳离子的高度选择性。这为基于EKEC技术的高效离子传输提供了基础。
3、本文基于牺牲模板法制备的prGO-Trail膜，克服了二维材料膜存在的一些固有缺陷，包括离子扩散距离较长、离子选择性较低以及在水中的持久性较差。
4、以prGO-Trail膜作为离子传输层，模拟浆膜的部分功能，允许阳离子通过外部刺激进行定向迁移，从而产生净电荷的定向流动。达到了方向感知和自供能的目的。
浆膜结构和仿生二维纳米流体传感器示意图。（A）浆膜结构示意图。（B）prGO-Trail膜及其扫描电镜截面照片。(C)二维纳米流体传感器响应机理的详细示意图。(D)仿生二维纳米流体传感器响应机理及相应响应/恢复信号。
以上文章转载于微信公众号MaterialsViews，如有侵权，请及时联系我们修改或进行删除。
