本文介绍了一篇由Hu Liu, Xiaoyu Chen, Yanjun Zheng, Dianbo Zhang, Ye Zhao, Chunfeng Wang, Caofeng Pan, Chuntai Liu, and Changyu Shen共同撰写的研究论文。该研究发表于Advanced Functional Materials期刊，发表时间为2021年，具体文章编号为2008006。作者团队主要来自郑州大学材料成型与模具技术教育部重点实验室及国家橡塑模具工程研究中心（Hu Liu, Xiaoyu Chen, Yanjun Zheng, Dianbo Zhang, Ye Zhao, Chuntai Liu, Changyu Shen），部分作者也隶属于中国科学院北京纳米能源与系统研究所及国家纳米科学中心（Hu Liu, Chunfeng Wang, Caofeng Pan），此外Chunfeng Wang还任职于深圳大学物理与光电工程学院。
这项研究属于材料科学与工程交叉领域，具体聚焦于功能化纳米复合材料、柔性电子传感和环保材料。随着人工智能时代的到来，对高性能压力传感器的需求日益增长，这类传感器需要具备轻质、机械顺应性、高灵敏度、快速响应、宽响应范围和稳定性等特性。然而，传统的金属和无机半导体传感器虽然灵敏度高、响应快，但其刚性、有限的传感范围、复杂的加工工艺和高成本限制了实际应用。因此，开发一种简单、低成本且高性能的柔性压力传感器成为研究热点。其中，基于压阻效应的传感器因其易于加工、结构简单、灵活性好和信号采集方便而被认为是理想的候选者。同时，受自然界中轻质且结构坚固的蜘蛛网启发，具有三维纳米纤维结构的气凝胶因其超弹性、低密度和高孔隙率，在构建高性能压阻传感器方面展现出巨大潜力。本研究旨在开发一种新型多功能材料平台，以满足可穿戴电子设备对压力传感器的严苛要求，并拓展其在环境治理（如油水分离）领域的应用。具体目标是，通过结合聚酰亚胺（PI）的优异综合性能（如耐高低温、高机械强度、化学稳定性）和MXene（Ti₃C₂X）的金属导电性及丰富表面官能团，制备一种具有特殊层级结构、超轻、超弹性且疏水的复合气凝胶，以实现对人体生理信号和运动的高精度检测，并高效分离油水混合物。
研究的工作流程主要包括以下几个环节： 1. 材料制备与气凝胶合成： 这是研究的核心制备阶段。首先，通过选择性蚀刻Ti₃AlC₂中的Al层，并使用超声剥离，成功制备了高质量的二维Ti₃C₂X MXene纳米片，其横向尺寸约为600 nm，厚度约为6 nm。X射线衍射（XRD）分析证实了Al层的成功去除和层间距的扩大。其次，为了解决电纺聚酰亚胺纳米纤维（PINFs）固有的疏水性问题，对其进行了氧等离子体处理，显著提高了其亲水性，从而使其能够与亲水性的MXene在水相中均匀分散。然后，将处理后的PINFs、MXene水分散液以及作为粘结剂的水溶性聚酰胺酸-三乙胺盐（PAA-TEA）溶液混合，通过磁力搅拌获得均匀的PINFs/MXene分散体系。该分散液被注入模具中，在-20°C下冷冻，随后进行冷冻干燥，形成PAA焊接的PINFs/MXene前驱体气凝胶。最后，将此前驱体气凝胶在氮气气氛中进行阶梯式热亚胺化处理（程序升温至150°C和350°C），使PAA转化为PI，从而将PINFs与PINFs之间、PINFs与MXene之间牢固地“焊接”在一起，最终得到PINFs/MXene复合气凝胶（文中根据MXene含量不同，标记为PM-X，如PM-10代表MXene含量为10 wt%）。
2. 材料结构与基本性能表征： 在这一阶段，研究人员对制备的材料和气凝胶进行了系统的物理化学表征。扫描电子显微镜（SEM）观察显示，纯PINFs气凝胶呈现出各向同性的开孔蜂窝结构，主要孔尺寸为80-100微米。而PINFs/MXene复合气凝胶（如PM-10）则展现出典型的“层-柱”支撑层级纳米纤维细胞结构，其中MXene纳米片在冰晶生长过程中取向排列形成层状结构，层间距约100微米，PINFs则作为支柱连接相邻层。高倍SEM显示PINFs被MXene纳米片紧密包裹。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）分析证实了复合气凝胶的成功合成，以及MXene与PI之间通过氢键形成的强界面相互作用。热重分析（TGA）表明复合气凝胶在空气氛围中的起始分解温度约为476°C，具有良好的热稳定性，尽管MXene的加入略微降低了热稳定性并在约220°C开始氧化。密度测试显示PM-6复合气凝胶的密度低至9.98 mg cm⁻³，远低于纯PINFs气凝胶（16.63 mg cm⁻³）。电导率测试表明，随着MXene含量的增加，复合气凝胶的电导率显著提升并趋于稳定，电流-电压（I-V）曲线呈线性欧姆行为，表明其具有稳定的电学性能。
3. 机械性能与稳定性测试： 为了评估气凝胶作为传感器基底的可靠性，研究对其力学性能进行了深入研究。压缩测试表明，复合气凝胶具有超低的压缩模量（2.49–5.37 kPa）和优异的可逆压缩性，即使在高达90%的应变下也能快速恢复原状，且其应力-应变行为与压缩速率无关。动态热机械分析（DMA）显示，复合气凝胶在-50°C至250°C的宽温域内，其粘弹性性能几乎保持恒定，表现出优异的温度耐受性，且阻尼比极低（约0.1），说明能量损耗小，弹性优异。循环压缩测试是评估疲劳寿命的关键：在50%应变下循环1000次后，复合气凝胶的最大应力保持基本恒定，塑性变形仅从1.55%轻微增加到4.94%，能量损耗系数稳定在21%左右，应力-应变曲线高度重合；在80%应变下循环200次也表现出类似的稳定性。SEM观察循环压缩后的样品微观结构发现，其特殊的层级纳米纤维蜂窝结构保持完好，无明显塌陷。这些结果共同证明了该复合气凝胶具有出色的结构鲁棒性、超弹性和抗疲劳性能。
4. 压阻传感性能系统评估： 基于复合气凝胶优异的导电性和机械性能，研究者将其组装成压阻传感器，并对其传感性能进行了全面测试。测试发现，相对电阻变化（δR/R₀）与压缩应变的关系呈现三个特征区域：在0-16%的低应变区，由于纤维支柱弯曲接触，电阻呈指数下降；在16-60%的线性区，相邻细胞层面对面接触增加，电阻线性快速下降，灵敏度最高，应变系数（GF）为1.67；在60-90%的致密化区，电阻变化缓慢并趋于稳定。对应的压力传感曲线显示，在0-5 kPa的低压区，传感器表现出高达0.14 kPa⁻¹的灵敏度，优于许多已报道的工作。传感器能够准确检测低至0.5%应变（对应0.01 kPa）的微小压力和高达90%应变（对应85.21 kPa）的大范围压缩。阶跃压力测试表明，传感器对不同应变水平有良好的识别能力和恢复性。循环传感测试证明其在各种应变/压力水平下都具有出色的循环稳定性和重复性，且压缩速率对传感性能无影响。响应时间测试显示，传感器在1%应变下的响应时间为220毫秒，恢复时间为140毫秒。长期循环测试（50%应变下1000次，80%应变下200次）进一步验证了其卓越的抗疲劳能力和传感稳定性。得益于PI基体的优异物理性能，该传感器在极端恶劣环境下（如液氮中、50°C、100°C和150°C高温下）仍能保持稳定的压阻传感能力，尽管在200°C时由于MXene氧化导致传感性能不稳定。
5. 实际应用演示与多功能性验证： 为了展示其应用潜力，研究进行了两部分演示。首先，作为可穿戴压阻传感器，将其附着在人体不同部位，成功实现了对多种生理信号和运动的实时检测，包括：颈动脉脉搏（可清晰分辨出P波、T波和D波特征峰）、呼吸（吸气和呼气）、发音（识别单词“sensor”的音节）、摇头、膝关节弯曲和手指弯曲（识别不同弯曲角度）。这些演示验证了其在健康监测和人机交互领域的应用前景。其次，利用复合气凝胶的低密度、高孔隙率和固有疏水性（水接触角约125°），研究者探索了其作为高效油/水分离材料的潜力。吸附测试表明，该气凝胶对多种油类和有机溶剂（如正己烷、乙醇、大豆油、四氯化碳等）具有极高的吸附容量，增重比在55.85至135.29 g g⁻¹之间，优于许多已报道的材料（如聚乳酸泡沫、石墨烯/聚氨酯海绵等）。循环吸附-挤压测试（以乙醇为例）显示，经过多次循环后，其吸附容量在轻微下降后趋于稳定，且每次都能将吸附的溶剂完全挤出，展现了良好的结构稳定性和可回收性。油/水分离实验直观显示，气凝胶能快速（0.12秒）从水底选择性吸附四氯化碳，或从水面吸附扩散的大豆油（6.55秒），且不吸水。
本研究得出的主要结论是：成功通过简单的冷冻干燥和热亚胺化工艺，设计并制备了一种具有典型“层-柱”支撑多孔结构的多功能导电PINFs/MXene复合气凝胶。得益于其特殊的孔隙结构和PINFs与MXene之间的牢固结合，该气凝胶表现出超低密度、宽温域耐受性、优异的压缩/恢复性和抗疲劳性。这使得它能作为理想的压阻传感器，具备高达90%应变（85.21 kPa）的宽传感范围、0.5%应变（0.01 kPa）的超低检测限、超过1000次循环的良好抗疲劳性，以及在液氮和高达150°C高温等极端恶劣环境下出色的传感稳定性和重复性。该传感器在人体运动与生理信号检测方面表现优异。同时，该气凝胶也被证明是一种高效的油/水分离材料。本研究为构建高性能多功能平台提供了一种简单而有效的策略。
本研究的亮点主要体现在以下几个方面：第一，创新性的材料设计：受蜘蛛网启发，巧妙地结合了PI纳米纤维的力学韧性和MXene的导电性，构建了独特的“层-柱”支撑层级纳米纤维蜂窝结构，这是实现其超弹性和多功能性的结构基础。第二，卓越的综合性能：该复合气凝胶同时实现了超轻（<10 mg cm⁻³）、超弹性（可恢复90%应变）、宽温域稳定（-50~250°C）、优异的抗疲劳性（1000次循环）和稳定的高导电性，这些性能的集合在单一材料中较为罕见。第三，高性能的压阻传感特性：传感器同时具备了宽范围（0.01-85.21 kPa）、高低压灵敏度（0.14 kPa⁻¹）、快速响应、优异的环境稳定性和超长的循环寿命，满足了实际应用中对可靠性的苛刻要求。第四，成功的多功能集成：同一材料平台不仅实现了高性能的柔性传感，还展现了高效的油/水分离能力，体现了材料设计的“一材多用”思想，拓宽了应用场景。第五，简单可行的制备工艺：所采用的冷冻干燥和热亚胺化工艺相对简单、环保（以水为主要分散介质），有利于潜在的大规模制备。
此外，研究中还包含一些有价值的细节，例如：通过氧等离子体处理解决PINFs疏水性问题以实现均匀分散；使用PAA作为粘结剂并在热亚胺化后形成PI焊接点以增强结构稳定性；通过调节MXene含量可以调控气凝胶的密度、电导率和机械强度；通过对比PI/碳纳米管复合气凝胶在200°C下的稳定性，指出了MXene在高温下氧化的局限性，并提出了使用高温稳定碳材料替代MXene以制备更高温传感器的可能性。这些细节为后续相关研究提供了重要的技术参考和改进方向。