Dual‐Functional Electromechanical Sensor Based on Hybrid Structure of “1D Rigid Nanocellulose Size‐Matching Into 2D Conductive MXene” in Oriented Porous Materials

纳米纤维素 材料科学 导电体 多孔性 复合材料 纳米技术 对偶(语法数字) 化学工程 纤维素 艺术 文学类 工程类
作者
Tingting Yang,Weiwei Chen,Yanrui Zou,Xi Yang,Rui Gu,Yu Ning,Lin Gan,Jin Huang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202514418
摘要

Abstract Conductive porous composites are promising light‐weight materials for wearable electromechanical sensors, and oriented pores can further introduce an asymmetric structure, benefiting electromechanical conversion. This study addresses the limited conductivity and sensitivity of oriented porous MXene‐based sensors caused by MXene aggregation in thin cell walls. The key innovation involves a dimension‐hybrid nanofiller system combining one‐dimensional (1D) dielectric nanocellulose with two‐dimensional (2D) MXene sheets. Size‐matching rigid nanocellulose uniquely achieves effective MXene layer separation, mitigating conductive path disruption. At least 4 times greater conductivity improvement is obtained with size‐matching rigid nanocellulose, compared to short or flexible variants. The percolation threshold of MXene‐filled oriented porous materials lowers from 8.24 to 4.01 wt.%, improving the piezoresistive sensitivity by 5.61 times in a strain range of 0.56%–10%. Meanwhile, the separation based on dielectric particles establishes in situ parallel‐plane capacitors, working as a capacitance pressure transducer. Then, in a smaller strain range, the absent high sensitivity is supplemented by the deformation‐induced capacitance responsibility, with a detection strain limit as low as 0.17% in contact mode. The synergy of percolation threshold reduction and capacitance activation creates a dual‐response sensor covering extreme mechanical stimuli (from heavy loads to delicate touches), advancing lightweight wearable electronics through 2D material optimization strategies.
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