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Tracheid-inspired nanoarchitectured carbon-based aerogels with ultra-compressibility for wearable piezoresistive sensors

材料科学 压阻效应 管胞 压缩性 复合材料 可穿戴计算机 纳米技术 碳纤维 化学工程 计算机科学 航空航天工程 工程类 复合数 植物 嵌入式系统 生物 木质部
作者
Lansheng Wei,Zhengguo Wu,Shuwei Tang,Xiaoqian Qin,Yutong Xiong,Jiaming Li,Eduardo Ruiz‐Hitzky,Xiaoying Wang
出处
期刊:Carbon [Elsevier BV]
卷期号:203: 386-396 被引量:30
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2022.11.081
摘要

Carbon-based aerogels are difficult to accomplish satisfactory mechanical strength and fatigue resistance due to the brittleness of framework, limiting their application in piezoresistive sensors. In this work, inspired by tracheid structure in plants, flexible piezoresistive sensors were prepared based on stable and elastic carbon-based aerogels with a long-range oriented multiscale matrix structure. The carbon-based aerogel was generated by bidirectional freezing and further assembled to i) 2D morphology Ti3C2Tx MXene as conductive framework and ii) cellulose nanofibers (CNF) offering abundant hydroxyl groups as flexible substrate. Besides, positively charged chitosan was introduced to serve as “bridging junction reinforcement element”, which tightly connects CNF and Ti3C2Tx, contributing to improved strength and stability of the carbon-based aerogel. According to finite element simulation, the bonding and supporting effect of chitosan is confirmed, and the aligned carbon layer and elastic supporting microstructure can be directly modulated. Interestingly, the piezoresistive sensor exhibits super-compressibility which can withstand 10,000 cycles under 50% strain, showing a fast response time (6.3 ms) and high sensitivity (177.08 kPa−1). Briefly, this work provides an innovative strategy to obtain nanoarchitecture functional materials integrating multiscale microstructures into carbon-based aerogels, demonstrating their potential to improve the sensing characteristics and functionality of wearable piezoresistive sensors.
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