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Boosting Sensitivity of Cellulose Pressure Sensor via Hierarchically Porous Structure

微型多孔材料 材料科学 纤维素 多孔性 压力传感器 纳米技术 大孔隙 灵敏度(控制系统) 聚合物 细菌纤维素 生物传感器 复合材料 化学工程 电子工程 化学 机械工程 有机化学 工程类 介孔材料 催化作用
作者
Minzhang Chen,Xiaoni An,Fengyan Zhao,Pan Chen,Junfeng Wang,Miaoqian Zhang,Ang Lu
出处
期刊:Nano-micro Letters [Springer Science+Business Media]
卷期号:17 (1)
标识
DOI:10.1007/s40820-025-01718-z
摘要

Abstract Pressure sensors are essential for a wide range of applications, including health monitoring, industrial diagnostics, etc. However, achieving both high sensitivity and mechanical ability to withstand high pressure in a single material remains a significant challenge. This study introduces a high-performance cellulose hydrogel inspired by the biomimetic layered porous structure of human skin. The hydrogel features a novel design composed of a soft layer with large macropores and a hard layer with small micropores, each of which contribute uniquely to its pressure-sensing capabilities. The macropores in the soft part facilitate significant deformation and charge accumulation, providing exceptional sensitivity to low pressures. In contrast, the microporous structure in the hard part enhances pressure range, ensuring support under high pressures and preventing structural failure. The performance of hydrogel is further optimized through ion introduction, which improves its conductivity, and as well the sensitivity. The sensor demonstrated a high sensitivity of 1622 kPa −1 , a detection range up to 160 kPa, excellent conductivity of 4.01 S m −1 , rapid response time of 33 ms, and a low detection limit of 1.6 Pa, outperforming most existing cellulose-based sensors. This innovative hierarchically porous architecture not only enhances the pressure-sensing performance but also offers a simple and effective approach for utilizing natural polymers in sensing technologies. The cellulose hydrogel demonstrates significant potential in both health monitoring and industrial applications, providing a sensitive, durable, and versatile solution for pressure sensing.
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