一种具有高重复性和超快响应速度的柔性纳米粒子结构温度传感器，其性能得益于热膨胀系数的调控以及热导率的提升

《Nano Materials Science》：A flexible nanoparticle structured temperature sensor with high reproducibility and ultrafast response speed enabled by thermal expansion coefficient regulation and thermal conductivity enhancement

柔性温度传感器通过构建rGO/MnO?纳米粒子复合的Nomex/TPU热敏层，并采用PDMS/EGaIn高导热封装层，实现近零热膨胀系数（0.02×10?3 K?1）和快速热响应（最快0.6秒）。该传感器具有±0.5℃检测精度、70℃量程、98.9%手势识别准确率，适用于人体活动监测和鼠类伤口愈合跟踪，兼具防水性和机械柔韧性。

　　在现代科技不断发展的背景下，柔性传感器因其在医疗健康、假肢控制以及仿生机器人等领域的广泛应用而受到越来越多的关注。温度作为一种关键的生理参数，能够有效反映人体活动状态与健康状况，因此，开发一种能够快速、准确地感知温度的柔性传感器具有重要意义。然而，现有的柔性温度传感器在实际应用中仍面临一些挑战，例如重复性差、响应速度慢以及对机械变形和环境湿度的敏感性等。这些限制阻碍了其在复杂皮肤贴附条件下的使用，尤其是在需要长期监测和实时反馈的应用场景中。

为了解决这些问题，研究人员提出了一种新型的柔性温度传感器设计，其核心在于构建了一种由还原氧化石墨烯（rGO）和二氧化锰（MnO?）纳米粒子组成的Nomex/热塑性聚氨酯（TPU）热敏电阻温度感应层，并将其封装在两个含EGaIn纳米粒子的聚二甲基硅氧烷（PDMS）热导层之间。该设计通过巧妙的材料组合，使得温度感应层在温度变化过程中几乎不发生形变，从而保证了传感器的高重复性和稳定性。同时，PDMS与EGaIn的结合赋予了封装层极高的热导率，使传感器能够快速响应温度变化，提高测量的准确度和灵敏度。

温度感应层的热膨胀系数（TEC）被设计为接近于零，这是通过Nomex和TPU这两种具有相反热膨胀行为的材料的精确配比实现的。Nomex是一种具有负热膨胀系数的材料，而TPU则具有正热膨胀系数。当这两种材料以特定比例混合时，它们的热膨胀效应可以相互抵消，从而实现整体的低热膨胀性能。这种设计不仅有效避免了由于热胀冷缩导致的传感器结构变形，还确保了在温度变化过程中，内部的导电网络不会受到破坏，从而提高了温度感应的稳定性。

另一方面，PDMS/EGaIn封装层的高热导率是通过在PDMS中加入大量EGaIn纳米粒子实现的。EGaIn作为一种液态金属，具有极低的模量，能够很好地与PDMS结合，形成均匀的纳米粒子分布。这种结构不仅提高了材料的热传导效率，还保证了传感器在保持良好导电性的同时具备优异的柔韧性。由于PDMS具有强粘附性和良好的密封性，该封装层不仅能够防止水分和外界环境对温度感应层的干扰，还能够确保传感器在潮湿或水下环境中仍能保持良好的性能。

在实际应用中，这种柔性温度传感器展现出优异的温度感知能力。其温度系数电阻（TCR）为-1.1% °C?1，且具有出色的线性响应特性（R2 = 0.99488），这意味着传感器能够以高精度检测温度变化。此外，该传感器的检测极限非常低，可以识别0.5°C的微小变化，这在医疗监测和生物传感领域具有重要价值。在70°C的检测范围内，传感器的稳定性也表现良好，适用于多种温度环境。

为了验证该传感器的实际应用效果，研究人员进行了多种实验测试。例如，将传感器贴附在人体手臂上，用于监测长时间站立、活动和坐姿时的皮肤温度变化。实验结果显示，传感器能够快速响应温度变化，其测量结果与红外热成像数据高度一致，温度偏差小于0.5°C，表明其在人体温度监测中的可靠性。此外，传感器还被用于检测手指触摸动作，通过构建一个3×3的传感器阵列，结合机器学习算法，能够实现对不同手势的高精度识别，准确率达到98.925%。这表明该传感器不仅适用于传统的温度监测，还能够拓展到人机交互和智能穿戴设备领域。

在动物实验方面，研究人员进一步验证了该传感器在小鼠伤口愈合监测中的潜力。通过将传感器贴附在伤口表面，可以实时监测伤口温度的变化。实验表明，伤口愈合过程中，温度逐渐降低，从初始的37.5°C（炎症状态）降至接近正常体温的36.5°C。这一温度变化趋势与伤口愈合的生理过程相符，表明传感器能够有效反映伤口的愈合状态。此外，通过细胞存活率测试和组织学分析，研究人员发现传感器对小鼠细胞的毒性极低，细胞存活率超过90%，进一步验证了其良好的生物相容性。

在实际应用中，该传感器还表现出优异的抗干扰能力。即使在弯曲、压力或湿度变化的条件下，其温度系数电阻依然保持稳定，表明其在复杂环境下的适用性。此外，该传感器能够承受反复弯曲和拉伸，且在高湿度或水下环境中依然保持良好的性能，这使其在医疗和环境监测领域具有广阔的应用前景。

综上所述，该研究成功开发了一种具有优异性能的柔性温度传感器，其设计结合了高热导率的封装层和低热膨胀的感应层，能够实现快速、准确的温度感知。该传感器不仅在人体活动监测和手指动作识别方面表现出色，还能够用于小鼠伤口愈合的实时监测，展现出良好的生物相容性和稳定性。随着柔性电子技术的不断发展，这类传感器有望在未来智能穿戴设备、医疗健康监测和生物传感领域发挥更大的作用。