基于配位驱动分子桥接的鳞片状微粗糙SiO?/MXene分级纳米纤维膜用于高稳定性压力传感

《Materials Today Nano》：Scale-like micro-rough SiO 2/MXene hierarchical nanofiber membranes based on coordination-driven molecular bridging for highly stable pressure sensing

　　

摘要

基于聚合物基底并集成导电纳米材料的柔性压力传感器已被广泛研究。然而，聚合物基底不可避免的热降解以及难以实现导电材料的牢固负载仍然是关键瓶颈。在本研究中，我们通过配位驱动的协同组装策略，结合静电纺丝与表面氨基官能化，成功开发了一种高性能柔性SiO₂/MXene复合压力传感器。该策略利用接枝在SiO₂纤维表面的氨基与MXene(Ti₃C₂T_x)钛原子之间形成的牢固N-Ti配位键，驱动导电纳米片牢固附着于无机骨架上。该设计不仅从根本上克服了传统基底的热脆弱性，还消除了MXene脱附和重堆叠的持续挑战，最终构建了具有独特鳞片状微粗糙表面的复合纳米纤维网络。得益于稳健的三维(3D)弹性网络和纤维的微粗糙表面结构，该传感器表现出宽感应范围(0.025-180 kPa)、高灵敏度(11.547 kPa^?1, 0-1 kPa)和优异的循环稳定性。此外，该传感器可以实时监测微细生理信号和大规模肢体运动，同时还能在高达250 °C的环境中保持压力感应能力，充分展示了其在复杂和极端条件下高级可穿戴健康监测系统的巨大潜力。

引言

近年来，人工智能(AI)与物联网(IoT)技术的融合显著推动了可穿戴传感技术的发展。特别是具有优异变形适应性的柔性压力传感器，作为可穿戴设备获取外部物理信息的核心传感组件，受到了广泛关注。根据传感机制，柔性压力传感器主要分为电容式[[1], [2], [3]]、压电式[[4], [5], [6], [7]]、摩擦式[8,9]和压阻式[[10], [11], [12]]。其中，柔性压阻压力传感器在人信号监测[[13], [14], [15], [16]]、机器人触觉感知[17,18]和智能人机交互[[19], [20], [21]]等前沿领域具有巨大前景，这得益于其卓越优势，包括简单的制造过程、方便的信号读出、优异的皮肤顺应性和良好的变形适应性[22]。目前，大多数柔性压阻传感器的研究依赖于聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚偏氟乙烯(PVDF)和热塑性聚氨酯(TPU)作为基底，并将它们与MXene、石墨烯(Gr)、氧化石墨烯(RGO)和碳纳米管(CNTs)等导电纳米材料集成[[23], [24], [25], [26], [27], [28]]。然而，这些聚合物基底在长期循环变形下极易发生结构疲劳；此外，其较差的热稳定性加速了器件老化，甚至在极端或复杂工作条件下导致失效[29]。因此，开发同时具有卓越结构稳定性和稳健环境适应性的新型柔性骨架材料仍是该领域的一项紧迫且关键的挑战。静电纺丝二氧化硅(SiO₂)无机陶瓷纳米纤维具有固有的化学惰性、微米级三维(3D)多孔结构、宏观柔韧性和出色的热稳定性，被认为是替代传统聚合物基底用于高可靠传感器的理想候选材料[[30], [31], [32]]。然而，纯SiO₂纤维表面光滑且弱电负性，缺乏足够的活性位点与导电活性层形成强键[33,34]。这种界面失配严重阻碍了导电材料的牢固负载，导致在重复变形过程中发生脱附，最终导致传感器信号滞后或完全失效。

二维过渡金属碳氮化物(MXene, Ti₃C₂T_x)由于其类金属导电性和丰富的表面官能团(-F, -O, -OH)，已成为柔性导电网络的关键构建模块[[35], [36], [37], [38], [39]]。然而，MXene纳米片在实际应用中极易发生层间重堆叠[40]；此外，当直接沉积在惰性SiO₂纳米纤维表面时，弱物理相互作用无法提供持久粘附力。为解决这一问题，尽管传统的静电层层自组装有效，但产生的结合力仍然有限。相比之下，利用配位化学建立由强化学键控制的界面相互作用，有望从根本上解决MXene在无机陶瓷基底上的"锚定"困境和团聚问题[41,42]。

为解决这些持续存在的挑战，本研究提出了一种结合界面工程和功能桥接的协同策略，以制造具有卓越稳定性和极端热适应性的高性能SiO₂/MXene复合纳米纤维压力传感器。最初，通过静电纺丝构建了柔性且高孔隙率的无机SiO₂纳米纤维骨架。我们没有依赖传统的物理混合或复杂的光刻模板，而是通过定向分子桥接方法，在无机绝缘支撑(SiO₂)和二维导电敏感相(MXene)之间系统地构建了稳健的界面过渡层。这种合理设计的界面不仅有效抑制了MXene纳米片的脱附和严重重堆叠，还提供了高效应力耗散和缓冲机制。在这种化学组装的驱动下，独特的微/纳米粗糙三维结构以无模板方式自发构建。因此，这显著有助于保持器件的微观结构稳定性和长期循环性能。得益于这种高度稳定的三维导电网络和固有耐热弹性SiO₂骨架，该传感器能够准确实时监测微细生理信号和大规模人体运动。关键的是，即使在高温下它仍能保持压力感应能力，展示了其在复杂和极端环境下高级可穿戴健康监测系统的巨大潜力。

章节摘要

材料

Ti₃AlC₂ MAX粉末(400目，纯度≥99.8%)购自信西科技有限公司。氟化锂(LiF, 99.0 wt%)购自阿拉丁试剂有限公司。盐酸(HCl, 36.0-38.0 wt%)由西陇科学有限公司提供。正硅酸四乙酯(TEOS, 纯度≥99%)购自北京英诺凯科技有限公司。无水乙醇(EtOH, 纯度≥99.7%)购自天津方达通正化工有限公司。聚酰亚胺(PI)薄膜

结果与讨论

如图1所示，SiO₂/MXene复合纳米纤维膜通过结合静电纺丝与配位驱动组装的策略制造。Ti₃C₂T_x MXene纳米片通过LiF/HCl混合物选择性刻蚀Ti₃AlC₂ MAX相制备(图1a)。通过原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)表征证实了MXene纳米片合成成功(图S2–S4)。为了获得连续的，

结论

总之，我们通过静电纺丝、氨基表面官能化和配位驱动组装成功制备了一种高性能SiO₂/MXene复合纳米纤维压力传感器。引入SiO₂纳米纤维表面的氨基与MXene纳米片上的钛原子形成牢固的N-Ti配位键，有效抑制了纳米片脱附和堆叠。这产生了一个由纳米纤维组成的高稳定三维弹性导电网络，具有

CRediT作者贡献声明

刘新华：写作——审阅与编辑、验证、调查、形式分析、数据整理、概念化。田树华：写作——原稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。赵中瑞：验证、写作——审阅与编辑。李伟：监督、资源、项目管理、资金获取。张伟：监督、调查、写作——审阅与编辑。温宁轩：监督，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能被认为会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了辽宁省国际产业技术研发项目(国际及港澳台)2025JH2/101900048和辽宁省科技计划联合项目(自然科学基金-博士研究启动项目)(2025-BS-0337)的财政支持。

Xinhua Liu|Shuhua Tian|ZhongRui Zhao|Wei Li|Rui Zhang|Ningxuan Wen|Shaowei Lu