Jaringan Terstruktur Kerut dari Tabung Nano Karbon Berlapis Perak untuk Sensor yang Dapat Dipakai

Hasil dan Diskusi

Morfologi nanokomposit Ag@OH-f MWCNT dan penampang sensor dikarakterisasi dengan SEM dan TEM. Panjang dan diameter CNT masing-masing adalah 1,25 ± 0,75 m dan 40 ± 10 nm. Ag dilapisi pada CNT setelah sintesis, seperti yang ditunjukkan pada gambar TEM (Gbr. 2a). Gambar mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM) diambil dan kisi kristalisasi diamati dengan jelas (Gbr. 2b). Ruang kisi 0,224 nm menunjukkan energi permukaan terendah selama kristalisasi Ag dalam arah (111). Morfologi nanokomposit ditunjukkan pada gambar SEM (Gbr. 2c). Dalam proses sintetik, ion perak AgNO₃ dikonsentrasikan secara elektrostatis oleh gugus hidroksil OH-f MWCNTs dan diikuti oleh reduksi menjadi atom Ag. Atom-atom mengkristal di sepanjang CNT dan akhirnya membentuk nanokomposit seperti kalung yang menonjol dengan diameter 200 ± 100 nm.

a Gambar TEM dari Ag@OH-f MWCNTs. b Gambar HRTEM dari Ag@OH-f MWCNTs. c Gambar SEM dari Ag@OH-f MWCNTs. d Gambar SEM penampang dari sensor regangan lunak berbasis Ag@OH-f MWCNT dengan struktur berkerut

PDMS telah diregangkan sebelum perawatan permukaan, dan struktur yang berkerut diperoleh setelah PDMS dilonggarkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a. Perawatan permukaan PDMS dilakukan oleh plasma oksigen berenergi tinggi. Ujung rantai molekul diubah dari –Si–CH₃ menjadi –Si-OH, dan dengan demikian permukaan PDMS diubah dari hidrofobik menjadi hidrofilik [34]. Gambar 3b dan c menunjukkan bahwa sudut kontak air PDMS sebelum dan sesudah perawatan permukaan plasma oksigen masing-masing adalah 91,6 ° dan 47,9 °. Peningkatan hidrofilisitas meningkatkan afinitas pengikatan antara PDMS dan nanokomposit.

Sudut kontak air PDMS (a ) sebelum dan (b ) setelah perawatan permukaan plasma oksigen. c Model skema pra-peregangan PDMS dan perawatan permukaan plasma oksigen

Setelah kombinasi PDMS dan nanokomposit, lapisan PDMS lain ditambahkan untuk menutupi sisi atas, mencegah nanokomposit dari denaturasi atau pelepasan. Nanokomposit Ag@OH-f MWCNT dengan struktur berkerut di interlayer ditunjukkan oleh SEM, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2d. Pembentukan lapisan kerutan mengubah lapisan nanokomposit seperti kalung dari bidang menjadi struktur tiga dimensi. Saat sensor berubah bentuk oleh tekanan eksternal, kerutan akan meregang ke belakang dan lapisan nanomaterial akan terus meregang, sehingga memperluas rentang peregangan dan mencapai penginderaan stabil dalam pekerjaan ini.

Menariknya, konduktivitas struktur berkerut meningkat secara signifikan dibandingkan dengan struktur datar, seperti yang dicirikan oleh pengukuran tegangan arus di bawah suhu kamar (Gbr. 4d dan e). Kedua sensor menunjukkan perilaku ohmik, dan resistansi sensor dengan struktur datar dan struktur berkerut dihitung masing-masing sebagai 256,41 dan 53,13 . Kami menyarankan bahwa jumlah Ag@OH-f MWCNTs, yang merupakan faktor kunci konduktivitas sensor, adalah 4,8 kali lebih tinggi pada struktur yang berkerut daripada yang datar.

Uji regangan dari sensor regangan lunak. a , (b ), dan (c ) Model penginderaan skematis; Kurva IV dari (d ) Sensor regangan lunak berbasis Ag@OH-f MWCNT tanpa struktur berkerut dan (e ) Sensor regangan lunak berbasis Ag@OH-f MWCNT dengan struktur berkerut. Perubahan resistansi relatif dari sensor dengan (f ) Sensor regangan lunak berbasis Ag@OH-f MWCNT tanpa struktur berkerut dan (g ) Sensor regangan lunak berbasis Ag@OH-f MWCNT dengan struktur berkerut

Perubahan resistansi relatif adalah salah satu parameter utama yang digunakan untuk mengevaluasi kinerja sensor regangan lunak. Dengan demikian, perubahan resistansi relatif dari sensor regangan berbasis Ag@OH-f MWCNT kemudian diselidiki, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4f dan g, di mana R dan R0 mewakili perubahan resistansi relatif di bawah deformasi dan resistansi awal sensor. , masing-masing. Perubahan resistansi relatif untuk sensor datar adalah 4,18 pada regangan maksimum 42% pada sensor (Gbr. 4f), sedangkan untuk sensor berkerut adalah 174 (Gbr. 4g). Selain itu, untuk sensor datar, resistansi berubah pada regangan lebih dari 30%, sedangkan untuk yang berkerut berubah pada regangan lebih dari 20%. Perubahan resistansi terjadi ketika konfigurasi jaringan MWCNT Ag@OH-f di PDMS mulai berubah di bawah regangan peregangan. Strain yang lebih kuat memisahkan jaringan dengan jarak nanokomposit yang lebih besar, mengurangi saluran tunneling dan jumlah jalur konduktif. Selanjutnya, kami mendefinisikan L0 sebagai panjang awal dan L sebagai perpanjangan relatif di bawah regangan aksial ke sensor. Oleh karena itu, faktor pengukur (GF) dari sensor dapat dihitung dengan persamaan:\( \mathrm{GF}=\frac{\Delta \mathrm{R}/{\mathrm{R}}_0}{\Delta \ mathrm{L}/{\mathrm{L}}_0} \). GF dari sensor regangan dengan struktur datar dan berkerut masing-masing adalah 9,95 dan 412,32. GF adalah indikator sensitivitas untuk sensor regangan lunak. Dibandingkan dengan struktur datar, GF lebih dari 40 kali lipat yang dicapai oleh sensor berkerut mewujudkan desain nanokomposit kami dan efektif untuk aplikasi penginderaan lebih lanjut.

Kami kemudian mengusulkan model untuk memahami variasi resistensi sensor regangan dengan struktur berkerut dalam proses peregangan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4. Gambar 4a mewakili jaringan konduktif berbasis Ag@OH-f MWCNT di dalam sensor regangan lunak dengan struktur keriput keadaan bebas. Perlakuan permukaan PDMS untuk meningkatkan afinitas pengikatan antara nanokomposit dan PDMS sangat penting untuk konfigurasi dan, akibatnya, untuk kinerja sensor. Tanpa perlakuan, pengikatan nanokomposit ke PDMS hidrofobik buruk, jaringan mudah terganggu, dan jalur konduktif terputus oleh peregangan (Gbr. 4b). Oleh karena itu, resistansi sensor tiba-tiba meningkat, yang disebabkan oleh saluran tunneling dan jumlah jalur konduktif menurun tajam, akhirnya menghasilkan rentang analitik penginderaan yang kecil dan sensitivitas yang rendah. Sebaliknya, setelah perawatan permukaan plasma oksigen, PDMS hidrofilik menunjukkan afinitas tinggi terhadap nanokomposit (Gbr. 4c). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4d, saluran tunneling dan nomor jalur konduktif berkurang secara bertahap karena jaringan MWCNT Ag@OH-f terus menerus dipisahkan dengan peregangan. Perubahan resistansi terkait sensor dengan perawatan permukaan PDMS adalah 41,63 kali lebih besar daripada tanpa perawatan permukaan, menunjukkan bahwa perawatan permukaan memainkan peran penting dalam meningkatkan sensitivitas dan rentang regangan sensor berdasarkan Ag@OH- baru f komposit MWCNT.

Dalam penelitian ini, kami menerapkan unit penginderaan dengan sensitivitas tinggi dan rentang regangan yang relatif luas yang dikembangkan dalam detektor pernapasan portabel (Gbr. 5). Adegan kerja detektor dalam memantau frekuensi pernapasan ditunjukkan pada Gambar 5a dan b. Pandangan atas dan bawah detektor masing-masing ditunjukkan pada Gambar 5c dan d. Sensor diregangkan dan hambatan meningkat saat menarik napas. Akibatnya, arus terlalu rendah untuk menyalakan dioda pemancar cahaya (LED). Sebaliknya, LED menyala saat udara dihembuskan. Selanjutnya, perubahan resistensi relatif dieksploitasi dalam pengenalan ekspresi wajah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5e sampai g. Perubahan resistansi relatif sensor adalah 4 ± 0,2 ketika sukarelawan berkedip. Ketika sukarelawan yang sama mengerutkan kening, resistansi relatif berubah secara identik menjadi 5,5 ± 0,1. Menariknya, aksi tersenyum menyebabkan perubahan resistensi relatif sebesar 15 ± 0,5. Hasilnya menunjukkan bahwa sensor terstruktur kerut berbasis Ag@OH-f MWCNT memiliki potensi besar untuk berbagai aplikasi dalam penginderaan perawatan kesehatan dan pendeteksian gerakan manusia.

Detektor pernapasan portabel berdasarkan sensor regangan lunak Ag@OH-f MWCNT dengan struktur berkerut. a Menarik napas dan (b ) menghembuskan napas. Gambar (c ) atas dan (d ) pandangan bawah dari detektor pernapasan portabel. e Wajah, (f ) mengerutkan kening, dan (g ) pengenalan ekspresi senyum berkedip

Performa bahan sensor regangan lunak yang berbeda dibandingkan. Seperti yang digambarkan pada Tabel 1, dibandingkan dengan sensor regangan berdasarkan bahan nano 1D lainnya, sensor terstruktur kerut berdasarkan OH-f MWCNT menunjukkan konduktivitas yang baik, peningkatan daya regangan, faktor pengukur yang sangat baik, dan stabilitas.