Red estructurada por arrugas de nanotubos de carbono recubiertos de plata para sensores portátiles

Resultados y discusión

La morfología del nanocompuesto Ag @ OH-f MWCNT y la sección transversal del sensor se caracterizaron por SEM y TEM. La longitud y el diámetro de los CNT son 1,25 ± 0,75 μm y 40 ± 10 nm, respectivamente. Se revistió Ag sobre los CNT después de la síntesis, como se muestra en la imagen TEM (Fig. 2a). Se tomó una imagen de microscopio electrónico de transmisión de alta resolución (HRTEM) y se observó claramente la red de cristalización (Fig. 2b). El espacio reticular de 0,224 nm indicó la energía superficial más baja durante la cristalización de Ag en la dirección de (111). La morfología del nanocompuesto se muestra en la imagen SEM (Fig. 2c). En el proceso sintético, los iones de plata de AgNO ₃ fueron concentrados electrostáticamente por los grupos hidroxilo de OH-f MWCNT y seguidos por reducción en átomos de Ag. Los átomos cristalizaron a lo largo de los CNT y finalmente formaron nanocompuestos abultados en forma de collar con un diámetro de 200 ± 100 nm.

un Imagen TEM de los MWCNT de Ag @ OH-f. b Imagen HRTEM de MWCNT de Ag @ OH-f. c Imagen SEM de MWCNT de Ag @ OH-f. d Imagen SEM de sección transversal del sensor de deformación suave basado en Ag @ OH-f MWCNT con estructura arrugada

El PDMS se estiró previamente antes del tratamiento de la superficie y la estructura arrugada se obtuvo después de que se aflojó el PDMS, como se muestra en la Fig. 3a. El tratamiento superficial del PDMS se realizó mediante plasma de oxígeno de alta energía. El final de la cadena molecular se cambió de –Si – CH ₃ en –Si – OH, y por lo tanto la superficie del PDMS se convirtió de hidrófoba en hidrófila [34]. Las Figuras 3b yc demuestran que los ángulos de contacto con el agua del PDMS antes y después del tratamiento de la superficie con plasma de oxígeno eran 91,6 ° y 47,9 °, respectivamente. La mejora de la hidrofilia aumentó la afinidad de unión entre el PDMS y el nanocompuesto.

Ángulo de contacto con el agua del PDMS ( a ) antes y ( b ) después del tratamiento de superficie con plasma de oxígeno. c Modelo esquemático de preestiramiento PDMS y tratamiento de superficie con plasma de oxígeno

Después de la combinación del PDMS y el nanocompuesto, se agregó otra capa de PDMS para cubrir el lado superior, evitando que el nanocompuesto se desnaturalice o se desprenda. El nanocompuesto Ag @ OH-f MWCNT con estructura arrugada en la capa intermedia se demostró mediante SEM, como se muestra en la Fig. 2d. La formación de la capa arrugada transforma la capa de nanocompuestos en forma de collar de un plano a una estructura tridimensional. Cuando el sensor se deforma por el estrés externo, las arrugas se estirarán hacia atrás y la capa de nanomaterial continuará estirándose, expandiendo así el rango de estiramiento y logrando una detección estable en este trabajo.

Curiosamente, la conductividad de la estructura arrugada se mejoró significativamente en comparación con una estructura plana, caracterizada por mediciones de corriente-voltaje a temperatura ambiente (Fig. 4d y e). Ambos sensores exhibieron un comportamiento óhmico, y las resistencias de los sensores con la estructura plana y la estructura arrugada se calcularon como 256,41 Ω y 53,13 Ω, respectivamente. Sugerimos que la cantidad de MWCNT de Ag @ OH-f, que es el factor clave de la conductividad del sensor, fue 4.8 veces mayor en la estructura arrugada que en la plana.

Prueba de estiramiento del sensor de deformación suave. un , ( b ) y ( c ) Modelo de detección esquemático; Curvas IV de ( d ) Sensor de deformación suave basado en Ag @ OH-f MWCNT sin estructura arrugada y ( e ) Sensor de deformación suave basado en Ag @ OH-f MWCNT con estructura arrugada. Los cambios de resistencia relativa de los sensores con ( f ) Sensor de deformación suave basado en Ag @ OH-f MWCNT sin estructura arrugada y ( g ) Sensor de deformación suave basado en Ag @ OH-f MWCNT con estructura arrugada

El cambio de resistencia relativa es uno de los parámetros clave que se utilizan para evaluar el rendimiento de un sensor de deformación suave. Como tal, se investigaron los cambios de resistencia relativa del sensor de deformación basado en Ag @ OH-f MWCNT, como se muestra en la Fig.4f yg, donde ΔR y R0 representan el cambio de resistencia relativa bajo deformación y la resistencia inicial del sensor. , respectivamente. El cambio de resistencia relativa para el sensor plano es 4.18 a la tensión máxima del 42% del sensor (Fig. 4f), mientras que es 174 para el sensor arrugado (Fig. 4g). Además, para el sensor plano, la resistencia cambió en la deformación por encima del 30%, mientras que para el sensor arrugado cambió en la deformación por encima del 20%. Los cambios de resistencia ocurrieron cuando la configuración de las redes Ag @ OH-f MWCNT en el PDMS comenzó a cambiar bajo la tensión de estiramiento. Una tensión más fuerte separó las redes con un mayor espaciado del nanocompuesto, disminuyendo los canales de tunelización y el número de caminos conductores. Además, definimos L0 como la longitud inicial y ΔL como el alargamiento relativo bajo tensión axial del sensor. Por lo tanto, el factor de calibre (GF) del sensor podría calcularse mediante la ecuación:\ (\ mathrm {GF} =\ frac {\ Delta \ mathrm {R} / {\ mathrm {R}} _ 0} {\ Delta \ mathrm {L} / {\ mathrm {L}} _ 0} \). El GF de los sensores de deformación con las estructuras planas y arrugadas fue de 9,95 y 412,32, respectivamente. GF es un indicador de sensibilidad para sensores de deformación suave. En comparación con la estructura plana, el GF de más de 40 veces logrado por el sensor arrugado manifestó el diseño de nuestro nanocompuesto y fue efectivo para otras aplicaciones de detección.

Luego propusimos un modelo para comprender las variaciones de resistencia de los sensores de deformación con estructura arrugada en el proceso de estiramiento, como se muestra en la Fig. 4. La Figura 4a representa las redes conductoras basadas en Ag @ OH-f MWCNT dentro del sensor de deformación suave con el estructura arrugada de estado libre. El tratamiento superficial del PDMS para mejorar la afinidad de unión entre el nanocompuesto y el PDMS fue fundamental para la configuración y, en consecuencia, para el rendimiento del sensor. Sin el tratamiento, la unión del nanocompuesto al PDMS hidrófobo fue deficiente, las redes se rompieron fácilmente y las rutas conductoras se cortaron por estiramiento (Fig. 4b). Por lo tanto, la resistencia del sensor aumentó repentinamente, debido a que los canales de tunelización y el número de caminos conductores disminuyeron drásticamente, lo que finalmente resultó en un pequeño rango analítico de detección y baja sensibilidad. Por el contrario, después del tratamiento de la superficie con plasma de oxígeno, el PDMS hidrófilo mostró una alta afinidad por el nanocompuesto (Fig. 4c). Como se demuestra en la Fig. 4d, los canales de tunelización y el número de la ruta conductora se redujeron gradualmente a medida que las redes Ag @ OH-f MWCNT se separaron continuamente por estiramiento. El cambio de resistencia relacionado del sensor con el tratamiento de superficie de PDMS fue 41,63 veces mayor que sin el tratamiento de superficie, lo que sugiere que el tratamiento de superficie juega un papel importante en la mejora de la sensibilidad y el rango de deformación del sensor basado en el nuevo Ag @ OH- f Compuesto MWCNT.

En este estudio, aplicamos la unidad sensora con alta sensibilidad y un rango de tensión relativamente amplio que se desarrolló en un detector de respiración portátil (Fig. 5). La escena de trabajo del detector en la monitorización de la frecuencia respiratoria se muestra en la Fig. 5a y b. Las vistas superior e inferior del detector se muestran en la Fig. 5c yd, respectivamente. El sensor se estiró y la resistencia aumentó al inhalar. Como resultado, la corriente era demasiado baja para encender el diodo emisor de luz (LED). Por el contrario, el LED se encendía cuando se exhalaba aire. Además, el cambio de resistencia relativa se aprovechó en el reconocimiento de expresiones faciales, como se muestra en la Fig. 5e ag. El cambio de resistencia relativa del sensor fue de 4 ± 0,2 cuando el voluntario parpadeó. Cuando el mismo voluntario frunció el ceño, la resistencia relativa cambió de manera idéntica a 5,5 ± 0,1. Curiosamente, la acción de la sonrisa provocó un cambio de resistencia relativo de hasta 15 ± 0,5. Los resultados demostraron que el sensor estructurado de arrugas basado en Ag @ OH-f MWCNT tiene un gran potencial para una amplia gama de aplicaciones en la detección de atención médica y detección de movimiento humano.

Detector de respiración portátil basado en sensor de deformación suave Ag @ OH-f MWCNT con estructura arrugada. un Inhalar y ( b ) exhalando. Imágenes del ( c ) arriba y ( d ) vista inferior del detector de respiración portátil. e Facial, ( f ) fruncir el ceño y ( g ) reconocimiento de expresión de sonrisa de parpadeo

Se comparan los rendimientos de diferentes materiales de sensores de deformación blanda. Como se muestra en la Tabla 1, en comparación con el sensor de deformación basado en otros nanomateriales 1D, el sensor de estructura de arrugas basado en OH-f MWCNT exhibió buena conductividad, mejor capacidad de estiramiento, excelente factor de calibre y estabilidad.

Conclusión

En este artículo, se diseñó un sensor de deformación de alta sensibilidad y flexibilidad que consta de PDMS y Ag @ OH-f MWCNT. Los nanocompuestos Ag @ OH-f MWCNT se prepararon reduciendo los iones Ag a lo largo de los MWCNT. El uso de OH-f MWCNT es esencial para aumentar la energía de unión de los átomos de Ag y los nanomateriales de carbono para mejorar la capacidad de estiramiento de los nanocompuestos. Al mismo tiempo, el tratamiento de la superficie con plasma de oxígeno de PDMS es importante para fabricar sensores con estructuras arrugadas para lograr un rendimiento de detección estable y único. Los resultados de resistencia y piezorresistividad muestran que el sensor tiene un GF de 412 y un rango de deformación del 42,2%. El uso de sensores en las pruebas de frecuencia respiratoria y la monitorización del movimiento facial ha demostrado que los sensores bien diseñados con nuevos nanocompuestos y estructuras arrugadas se pueden utilizar en dispositivos portátiles para una multitud de propósitos.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos que respaldan las conclusiones de este artículo se incluyen dentro del artículo (y sus archivos adicionales).

Abreviaturas

Ag @ OH-f MWCNTs:

Nanotubos de carbono de paredes múltiples funcionalizados con hidroxilo recubiertos de plata

AgNP:

Nanopartículas de plata

CNT:

Nanotubos de carbono

GF:

Factor de calibre

LED:

Diodo emisor de luz

OH-f MWCNT:

Nanotubos de carbono de paredes múltiples funcionalizados con hidroxilo

PDMS:

Polidimetilsiloxano

SEM:

Microscopio electrónico de barrido

TEM:

Microscopía electrónica de transmisión

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