Wrinkle Structured Network van zilvergecoate koolstofnanobuisjes voor draagbare sensoren

Resultaten en discussie

De morfologie van het Ag@OH-f MWCNT-nanocomposiet en de dwarsdoorsnede van de sensor werden gekarakteriseerd door SEM en TEM. De lengte en diameter van de CNT's zijn respectievelijk 1,25 ± 0,75 m en 40 ± 10 nm. Ag werd na synthese op de CNT's gecoat, zoals weergegeven in het TEM-beeld (figuur 2a). Er werd een transmissie-elektronenmicroscoop (HRTEM) beeld met hoge resolutie genomen en het kristallisatierooster werd duidelijk waargenomen (figuur 2b). De roosterruimte van 0,224 nm gaf de laagste oppervlakte-energie aan tijdens Ag-kristallisatie in de richting van (111). De morfologie van het nanocomposiet wordt getoond in het SEM-beeld (Fig. 2c). Bij het syntheseproces worden de zilverionen van AgNO₃ werden elektrostatisch geconcentreerd door de hydroxylgroepen van OH-f MWCNT's en gevolgd door reductie tot Ag-atomen. De atomen kristalliseerden langs de CNT's en vormden uiteindelijk uitpuilende halskettingachtige nanocomposieten met een diameter van 200 ± 100 nm.

een TEM-afbeelding van Ag@OH-f MWCNT's. b HRTEM-beeld van Ag@OH-f MWCNT's. c SEM-afbeelding van Ag@OH-f MWCNT's. d Dwarsdoorsnede SEM-beeld van Ag@OH-f MWCNT-gebaseerde zachte spanningssensor met gerimpelde structuur

Het PDMS werd vóór de oppervlaktebehandeling uitgerekt en de gerimpelde structuur werd verkregen nadat het PDMS was losgemaakt, zoals weergegeven in figuur 3a. De oppervlaktebehandeling van het PDMS werd uitgevoerd door hoogenergetisch zuurstofplasma. Het einde van de moleculaire keten is veranderd van –Si–CH₃ in -Si-OH, en zo werd het PDMS-oppervlak omgezet van hydrofoob naar hydrofiel [34]. Figuur 3b en c tonen aan dat de watercontacthoeken van PDMS voor en na zuurstofplasma-oppervlaktebehandeling respectievelijk 91,6 ° en 47,9 ° waren. De verbetering van de hydrofiliciteit verhoogde de bindingsaffiniteit tussen het PDMS en het nanocomposiet.

Watercontacthoek van PDMS (a ) voor en (b ) na oppervlaktebehandeling met zuurstofplasma. c Schematisch model van PDMS-voorrekking en oppervlaktebehandeling met zuurstofplasma

Na de combinatie van het PDMS en het nanocomposiet werd er nog een PDMS-laag toegevoegd om de bovenzijde te bedekken, waardoor het nanocomposiet niet denatureert of losliet. Het Ag@OH-f MWCNT-nanocomposiet met gerimpelde structuur in de tussenlaag werd gedemonstreerd door SEM, zoals weergegeven in figuur 2d. De vorming van de rimpellaag transformeert de kettingachtige nanocomposietlaag van een vlak naar een driedimensionale structuur. Wanneer de sensor wordt vervormd door externe spanning, zullen de rimpels zich terugtrekken en zal de nanomateriaallaag blijven worden uitgerekt, waardoor het rekbereik wordt vergroot en een stabiele waarneming in dit werk wordt bereikt.

Interessant genoeg was de geleidbaarheid van de gerimpelde structuur significant verbeterd in vergelijking met een platte structuur, zoals gekenmerkt door stroom-spanningsmetingen bij kamertemperatuur (Fig. 4d en e). Beide sensoren vertoonden ohms gedrag en de weerstanden van de sensoren met de platte structuur en de gerimpelde structuur werden berekend als respectievelijk 256,41 Ω en 53,13 . We suggereren dat de hoeveelheid Ag@OH-f MWCNT's, de belangrijkste factor voor de geleidbaarheid van de sensor, 4,8 keer hoger was in de gerimpelde structuur dan in de platte structuur.

Rektest van de zachte reksensor. een , (b ), en (c ) Schematisch detectiemodel; IV-curven van (d ) Ag@OH-f MWCNT-gebaseerde zachte reksensor zonder gerimpelde structuur en (e ) Ag@OH-f MWCNT-gebaseerde zachte reksensor met gerimpelde structuur. De relatieve weerstandsveranderingen van de sensoren met (f ) Ag@OH-f MWCNT-gebaseerde zachte reksensor zonder gerimpelde structuur en (g ) Ag@OH-f MWCNT-gebaseerde zachte reksensor met gerimpelde structuur

Relatieve weerstandsverandering is een van de belangrijkste parameters die worden gebruikt om de prestaties van een zachte spanningssensor te evalueren. Als zodanig werden vervolgens de relatieve weerstandsveranderingen van de op Ag@OH-f MWCNT gebaseerde reksensor onderzocht, zoals getoond in Fig. 4f en g, waarbij ΔR en R0 de relatieve weerstandsverandering onder vervorming en de initiële weerstand van de sensor vertegenwoordigen , respectievelijk. De relatieve weerstandsverandering voor de platte sensor is 4,18 bij de maximale belasting van 42% voor de sensor (Fig. 4f), terwijl het 174 is voor de gerimpelde sensor (Fig. 4g). Bovendien veranderde voor de platte sensor de weerstand in de rek met meer dan 30%, terwijl het voor de gerimpelde sensor meer dan 20% veranderde in de rek. De weerstandsveranderingen deden zich voor toen de configuratie van de Ag@OH-f MWCNT-netwerken in het PDMS begon te veranderen onder de rekspanning. Een sterkere spanning scheidde de netwerken met een grotere afstand van het nanocomposiet, waardoor de tunnelkanalen en het aantal geleidende paden afnemen. Verder hebben we L0 gedefinieerd als de initiële lengte en ΔL als de relatieve verlenging onder axiale belasting van de sensor. Daarom kan de meetfactor (GF) van de sensor worden berekend met de vergelijking:\( \mathrm{GF}=\frac{\Delta \mathrm{R}/{\mathrm{R}}_0}{\Delta \ mathrm{L}/{\mathrm{L}}_0} \). De GF van de reksensoren met de platte en gerimpelde structuren was respectievelijk 9,95 en 412,32. GF is een indicator van gevoeligheid voor sensoren voor zachte spanning. Vergeleken met de platte structuur, manifesteerde de meer dan 40-voudige GF die door de gerimpelde sensor werd bereikt het ontwerp van ons nanocomposiet en was het effectief voor verdere detectietoepassingen.

Vervolgens hebben we een model voorgesteld om de weerstandsvariaties van de reksensoren met gerimpelde structuur in het rekproces te begrijpen, zoals weergegeven in Fig. 4. Figuur 4a vertegenwoordigt de op Ag@OH-f MWCNT gebaseerde geleidende netwerken in de zachte reksensor met de gerimpelde structuur van de vrijstaat. De oppervlaktebehandeling van PDMS om de bindingsaffiniteit tussen het nanocomposiet en PDMS te verbeteren was essentieel voor de configuratie en bijgevolg voor de prestaties van de sensor. Zonder de behandeling was de binding van het nanocomposiet aan het hydrofobe PDMS slecht, werden de netwerken gemakkelijk verstoord en werden de geleidende paden afgesneden door uit te rekken (figuur 4b). Daarom nam de weerstand van de sensor plotseling toe, wat werd veroorzaakt door het sterk afnemende aantal tunnelkanalen en geleidende paden, wat uiteindelijk resulteerde in een klein analytisch detectiebereik en lage gevoeligheid. Integendeel, na zuurstofplasma-oppervlaktebehandeling vertoonde het hydrofiele PDMS een hoge affiniteit voor het nanocomposiet (figuur 4c). Zoals aangetoond in Fig. 4d, namen de tunnelkanalen en het aantal geleidende paden geleidelijk af naarmate de Ag@OH-f MWCNT-netwerken continu werden gescheiden door uitrekken. De gerelateerde weerstandsverandering van de sensor met de oppervlaktebehandeling van PDMS was 41,63 keer groter dan zonder de oppervlaktebehandeling, wat suggereert dat de oppervlaktebehandeling een belangrijke rol speelt bij het verbeteren van de gevoeligheid en het spanningsbereik van de sensor op basis van de nieuwe Ag@OH- f MWCNT-composiet.

In deze studie hebben we de detectie-eenheid toegepast met een hoge gevoeligheid en een relatief breed spanningsbereik die is ontwikkeld in een draagbare ademhalingsdetector (Fig. 5). De werkscène van de detector bij het bewaken van de ademfrequentie wordt getoond in Fig. 5a en b. De boven- en onderaanzichten van de detector worden respectievelijk getoond in Fig. 5c en d. De sensor werd uitgerekt en de weerstand nam toe bij het inademen. Hierdoor was de stroom te laag om de light-emitting diode (LED) te laten branden. Daarentegen brandde de LED wanneer lucht werd uitgeademd. Verder werd de relatieve weerstandsverandering benut bij de herkenning van gezichtsuitdrukkingen, zoals getoond in Fig. 5e tot g. De relatieve weerstandsverandering van de sensor was 4 ± 0,2 wanneer de vrijwilliger knipperde. Toen dezelfde vrijwilliger zijn wenkbrauwen fronste, werd de relatieve weerstand identiek veranderd in 5,5 ± 0,1. Interessant is dat de lachende actie leidde tot een relatieve weerstandsverandering van wel 15 ± 0,5. De resultaten toonden aan dat de op Ag@OH-f MWCNT gebaseerde, op rimpels gebaseerde sensor een groot potentieel heeft voor een breed scala aan toepassingen in de gezondheidszorg en het detecteren van menselijke beweging.

Draagbare ademhalingsdetector op basis van Ag@OH-f MWCNT zachte reksensor met gerimpelde structuur. een Inademen en (b ) uitademen. Foto's van de (c ) boven en (d ) onderste zicht van de draagbare ademhalingsdetector. e Gezichtsbehandeling, (f ) fronsen, en (g ) lach expressie herkenning van knipperen

Prestaties van verschillende zachte reksensormaterialen worden vergeleken. Zoals weergegeven in tabel 1, vertoonde de rimpel-gestructureerde sensor op basis van OH-f MWCNT's, vergeleken met de reksensor op basis van andere 1D-nanomaterialen, een goede geleidbaarheid, verbeterde rekbaarheid, uitstekende meetfactor en stabiliteit.