安徽大学法硕，安徽大学法硕非法学分数线
MXenes因其二维层状结构、高导电性、亲水性和较大的比表面积而受到越来越多的关注。由于这些独特的优势，MXenes被认为是在柔性压阻传感器应用中非常有竞争力的压敏材料。
近日，安徽大学物质科学与信息技术研究院量子材料与物理研究所岳阳等人系统综述了MXenes的制备方法、基本性能、组装方法及其在压阻式传感器中的应用进展。基于MXene的柔性压阻传感器根据其不同的结构可以分为一维纤维型、二维平面型和三维型。研究者总结了基于MXene的压力传感器多功能集成的发展趋势。最后，研究者描述了基于MXenes的压力传感器所面临的机遇和挑战，以及MXenes在压力传感器领域应用的广阔前景。相关工作以“Ti3C2Tx MXene-Based Flexible Piezoresistive Physical Sensors”为题发表在最新一期的《ACS Nano》。
随着物联网、人工智能应用、大数据、云计算的兴起，全球信息技术呈现出万物互联、万物智能的特征。智能传感器作为人类感知信息的主要来源和与外界环境交互的重要手段，正呈现出爆炸式的增长。根据不同的信号转换方法，压力传感器可分为压阻式、电容式、压电式和摩擦电式压力传感器。其中压阻式压力传感器具有结构简单、成本低、能耗相对较低、测量范围大、灵敏度高、响应时间短、温度稳定性好、易集成等特点，具有广阔的市场前景。
压阻式传感器是智能眼镜、智能手镯、智能手表等各种可穿戴电子设备的核心部件。随着可穿戴电子技术的快速发展，压阻式传感器在物联网、生物医学监测、人机交互等领域的应用受到了广泛的关注。然而，市场上传统的刚性压阻传感器体积大、不易弯曲、便携性差、佩戴舒适性低。柔性可穿戴压阻传感器弥补了这些不足，成为目前压力传感器的研究热点。压阻式压力传感器依赖于外部压力和压敏材料表面之间的相互作用。为了实现压力检测，可以通过改变材料的几何形状来调节敏感层的电阻值。因此，目前科学家们主要从压敏材料的选择和器件几何形状的设计两个方面来提高压阻式传感器的性能。
作为二维(2D)材料家族的一员，MXenes具有与石墨烯相似的机械强度高、亲水性好、金属导电性好、比表面积大等优点。一般来说，MXenes是二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，用公式Mn+1XnTx表示。MXenes在储能、传感、吸附、催化、电磁屏蔽等领域都表现出了良好的应用前景。由于MXenes的物理和化学性质，它们被认为是具有良好应用前景的压敏材料。例如，MXene的表面富含官能团。大的比表面积有效地增加了与基材的结合力，使其具有优异的力学性能。金属导电性和层间距给MXenes巨大的可调电阻范围，这使它们对压力非常敏感。
图1. MXenes基传感材料的不同结构。
【MXenes的合成、性质和组装】
MXenes的合成条件对最终产品的物理、化学和电学性能有很大的影响，从而直接影响到MXenes的性能。合成技术的发展和完善，保证了MXenes的优异性能。利用各种组装方法将MXenes从纳米级转化为宏观级，最大限度地发挥其优异的性能，适应不同的应用条件，对拓宽MXenes的应用范围具有深远的意义。
图2. MXene合成方法示意图
图3. MXene的多种组装方法
【基于MXene的压阻式应变传感器】
目前，石墨烯、碳纳米管(CNTs)、银纳米线(AgNWs)、聚吡咯等均可作为压力传感器的传感材料。但由于生产工艺的限制，CVD沉积法制备的石墨烯亲水性差，限制了其可操作性。基于MXene的压力传感器性能优异，Ti3C2Tx MXene以其优异的性能成为制备压力传感器的热门材料。
图4. (a)涂有MXene薄片的棉纱截面示意图及截面、纱线表面的SEM图像。(b) MXene/PU纤维湿纺制备工艺。(c) MXene纳米片生产工艺示意图。(d) NMS纱的制备工艺。(e)包芯-护套纱制备工艺示意图。(f) MXene基包芯-护套纱制造工艺。
【基于MXene的多功能压力传感器发展的趋势】
在电子器件高度集成化和功能多样化的背景下，基于MXene的传感器的最新发展趋势是多功能传感器。图9总结了近年来基于MXene的传感器多功能化的研究结果，包括多功能一体机集成、自供电、自修复和可降解传感器。也有抗极端环境的传感器，如隔热、阻燃和防冻剂。
图9. MXene基多功能传感器
【小结】
由于其二维层状结构、高导电性、大比表面积、亲水性、易形貌控制等特点，MXenes被广泛应用于储能、吸附、催化、柔性电子设备等领域。近年来，基于MXenes的多种可穿戴传感器被开发出来。在基片材料上涂覆MXene或与其他材料复合制备的普通压阻式和应变式传感器取得了良好的效果，而基于MXene的各种微结构传感器也扩展了传感器的性能。然而，要实现基于MXene材料的传感器的实际大规模实际应用，还有很长的路要走。
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c09925
来源： 高分子科学前沿
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