Jaringan Kerutan CNT Dilapisi Perak: Meningkatkan Sensitivitas untuk Sensor Regangan Wearable

Abstrak

Sensor regangan lunak semakin banyak digunakan di berbagai bidang, termasuk pengendalian wearable, pemantauan perilaku, dan diagnostik elektrofisiologis. Namun, di seluruh aplikasi, fungsi sensor ini terbatas karena sensitivitas tinggi, rentang dinamis tinggi, dan konsumsi daya rendah. Dalam kertas ini, kami berfokus pada peningkatan sensitivitas dan rentang regangan sensor regangan lunak melalui perlakuan struktur, permukaan, dan unit sensitif. Nanotubokarbon multi-dinding fungsional hidroksil dilapisi nanosilver (Ag)-OH-f MWCNTs dieksplorasi untuk penginderaan yang sangat akut. Dengan metode peregangan dan depo, Ag@OH-f MWCNTs dan polidimetilsiloksana (PDMS) difabriksikan ke dalam struktur kerutan dan sandwich untuk sensor regangan lunak. Properti elektronik dikarakterisasi dengan faktor pengukuran (GF) = ΔR/R0 sebesar 412,32, dan rentang regangan sebesar 42,2%. Selain itu, sensor regangan lunak kami menunjukkan fitur termasuk fleksibilitas, berat ultra-ringan, dan pengalaman yang sangat nyaman dalam hal kemampuan dipakai. Akhirnya, beberapa fitur fisiologis dan perilaku dapat diambil dengan menguji perubahan resistensi yang luar biasa, termasuk deteksi napas, serta pengenalan gerakan wajah dan tangan. Eksperimen menunjukkan keunggulannya dalam hal sensitivitas tinggi dan rentang penginderaan yang luas.

Pendahuluan

Sensor memainkan peran penting dalam diagnostik medis, terutama sensor fleksibel, yang menyediakan kelayakan dan fleksibilitas untuk aplikasi pemantauan kesehatan jangka panjang [1,2,3,4,5,6,7,8]. Dalam beberapa tahun terakhir, sensor regangan lunak telah memperluas rentang aplikasi sensor fleksibel, seperti implan koklea [9], prostesis kontrol korteks serebral [10], sentuhan kulit elektronik [11], serta berbagai aplikasi lainnya [12,13,14,15,16]. Oleh karena itu, sangat penting untuk meningkatkan kinerja dalam hal selektivitas, sensitivitas, dan respons untuk memenuhi persyaratan aplikasi kesehatan canggih.

Pengembangan berkelanjutan dari sensor regangan fleksibel wearable baru-baru ini menjadi lebih populer [17,18,19,20,21,22,23]. Nanomaterial perak (Ag) dan karbon telah menarik minat peneliti karena properti listrik dan mekanik yang unggul, biaya rendah, dan stabilitas tinggi [16, 24,25,26]. Misalnya, sensor regangan yang memiliki struktur sandwich dilapisi dengan jaringan nanowire Ag dan elastomer polidimetilsiloksana (PDMS) menunjukkan karakteristik konduktivitas listrik dan sensitivitas yang sadar [16, 24,25,26]. Sensor regangan berbasis material karbon memiliki transparansi dan stabilitas unik [20, 27,28,29]. Sensor ini juga dapat dioptimalkan dengan mengintegrasikan keunggulan Ag dan material karbon. Sebuah sensor regangan struktur sandwich dengan jaringan konduktif sinergi grafit/nanopartikel perak (AgNP) disiapkan, di mana AgNP terbentuk in situ, dan lembar grafit digunakan sebagai jembatan konduktif di antaranya untuk memastikan konduktivitas awal yang sangat baik dan kemampuan dipakai sensor wearable yang fleksibel [30]. Shuqi Liu et al. menyiapkan sensor regangan fleksibel dengan lapisan komposit konduktif dengan menuang larutan PDMS pada mikrosfer polimer, campuran oksida grafit, dan nanowire perak [31]. Namun, kombinasi Ag dan material karbon mengurangi fleksibilitas komposit nano akhir, yang membatasi aplikasi praktisnya dalam sensor regangan lunak. Menurut studi kami sebelumnya menggunakan nanotubokarbon (CNT) dan AgNP [32], penurunan fleksibilitas terkait dengan energi ikatan rendah antara Ag dan material karbon.

Dalam karya ini, kami menggunakan OH-f MWCNTs untuk meningkatkan energi ikatan antara CNT dan Ag [33], dan membangun sensor regangan lunak berdasarkan komposit nano Ag@OH-f MWCNT yang baru dikembangkan dengan desain struktur kerutan baru. Kombinasi energi ikatan dan struktur membuat perubahan lunak sensitif dan lebih tahan terhadap resistensi. Komposit nano Ag@OH-f MWCNT disiapkan dengan mengurangi langsung partikel nanosilver pada permukaan CNT. Komponen dikonfirmasi dan morfologinya dikarakterisasi dengan mikroskop elektron pemindai (SEM) dan mikroskopi transmisi elektron (TEM). Sensor regangan lunak dengan struktur kerutan dan sandwich disiapkan dengan metode peregangan, perlakuan permukaan, dan depo menggunakan komposit nano dan PDMS. Karakteristik elektronik dan efek piezoresistif sensor dianalisis. Akhirnya, sensor diterapkan pada detektor napas portabel dan diuji dalam pengenalan ekspresi wajah.

Metode

Sintesis dan Karakterisasi Ag@OH-f MWCNTs

Komposit Ag@OH-f MWCNT diperoleh melalui metode reduksi sederhana. Pertama, 0,5 mg OH-f MWCNTs (dibeli dari Chengdu Organic Chemicals Co. Ltd.) disperdi dalam 300 mL larutan air nitrat perak (AR, 3 × 10⁻² M). Campuran kemudian dipanaskan pada 120 °C dengan adukan magnetis dalam minyak panas. Selanjutnya, 10 mL larutan air sitrat natrium (AR, 1 wt%) ditambahkan ke dalam campuran. Terakhir, campuran dipanaskan dengan adukan lebih lanjut selama 1 jam.

Karakterisasi Ag@OH-f MWCNTs dilakukan melalui mikroskop elektron pemindai (SEM) dan mikroskopi transmisi elektron (TEM). Gambar SEM produk diambil dengan mikroskop elektron pemindai (SEM, JEOL S4700, Jepang). Observasi TEM dilakukan pada mikroskop elektron JEOL JEM-1200EX (Jepang).

Persiapan Sensor

Flowchart pembuatan sensor ditunjukkan pada Gambar 1. Film PDMS diperoleh melalui pengeluaran gas dan pemanasan (75 °C selama 1 jam) campuran elastomer dan silang PDMS. Film PDMS dilepas dan diregang ke 110%, yang diperbaiki dengan lem permebal dengan lubang persegi panjang. Setelah permukaan diperlakukan dengan Schwarze P3C selama 300 s, solasi Ag@OH-f MWCNT ditetapkan ke dalam lubang persegi panjang film PDMS yang diregang. Lem permebal kemudian dilepas, dan dua elektroda tembaga ditempel di atas komposit nano. Larutan PDMS ditetapkan di atas dan dipanaskan pada 75 °C selama 1 mem untuk memperkuat koneksi antara komposit nano dan elektroda. Sensor regangan lunak berbasis Ag@OH-f MWCNT dengan struktur kerutan diperoleh setelah tekanan pra dilepaskan. Sensor yang disiapkan tanpa perlakuan permukaan disiapkan untuk perbandingan.

Flowchart proses pembuatan sensor

Pengukuran Penginderaan

Untuk mempelajari karakteristik arus-tegangan, kurva I-V dari sensor diukur melalui osiloskop digital (keithley2400) pada suhu ruang. Dua ujung sensor ditempati pada panggung bergerak motorisasi (Zolix TSM25-1A dan Zolix TSMV60-1s), dan resistensi sensor diukur. Karakteristik penginderaan regangan diuji dengan mengontrol panggung bergerak motorisasi.

Pengukuran Aplikasi

Detektor napas portabel disiapkan untuk memverifikasi sensor regangan lunak berbasis Ag@OH-f MWCNT, yang dapat diperoleh dengan menghubungkan dan memaketkan sirkuit. Detektor kemudian diuji dengan sensor menyentuh perut sukarelawan. Pengenalan ekspresi wajah sensor ini diukur dengan menyentuh sensor pada berbagai bagian wajah sukarelawan.

Hasil dan Pembahasan

Morfologi komposit nano Ag@OH-f MWCNT dan persilang sensor dikarakterisasi dengan SEM dan TEM. Panjang dan diameter CNT adalah 1,25 ± 0,75 μm dan 40 ± 10 nm, masing-masing. Ag dilapisi pada CNT setelah sintesis, seperti yang ditunjukkan dalam gambar TEM (Gambar 2a). Gambar TEM resolusi tinggi (HRRET) diambil dan kristalisasi jaring terlihat jelas (Gambar 2b). Spasi jaring 0,224 nm menunjukkan energi permukaan terendah selama kristalisasi Ag dalam arah (111). Morfologi komposit nano ditunjukkan dalam gambar SEM (Gambar 2c). Dalam proses sintesis, ion perak AgNO₃ dikonsentrasikan elektrostatis oleh grup hidroksil OH-f MWCNTs dan diikuti dengan reduksi menjadi atom Ag. Atom kristal sepanjang CNT dan akhirnya membentuk komposit nano mirip rantai kalung yang membesar dengan diameter 200 ± 100 nm.

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

PDMS diregang pra sebelum perlakuan permukaan, dan struktur kerutan diperoleh setelah PDMS longgar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a. Perlakuan permukaan PDMS dilakukan dengan plasma oksigen energi tinggi. Ujung rantai molekular berubah dari –Si–CH₃ menjadi –Si–OH, dan oleh karena itu permukaan PDMS berubah dari hidrofobik menjadi hidrofilik [34]. Gambar 3b dan c menunjukkan bahwa sudut kontak air PDMS sebelum dan setelah perlakuan permukaan plasma oksigen masing-masing 91,6 ° dan 47,9 °. Peningkatan hidrofilik meningkatkan affinitas ikatan antara PDMS dan komposit nano.

Sudut kontak air PDMS (a) sebelum dan (b) setelah perlakuan permukaan plasma oksigen. c Model skematik peregangan pra PDMS dan perlakuan permukaan plasma oksigen

Setelah kombinasi PDMS dan komposit nano, lapisan PDMS lain ditambahkan untuk menutupi sisi atas, mencegah komposit nano denaturasi atau terlepas. Komposit nano Ag@OH-f MWCNT dengan struktur kerutan di lapisan antar ditunjukkan dengan SEM, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2d. Pembentukan lapisan kerutan mengubah lapisan komposit nano mirip rantai kalung dari bidang menjadi struktur tiga dimensi. Ketika sensor dirupakan oleh stres eksternal, kerutan akan meregang kembali dan lapisan nanomaterial akan terus diregang, sehingga memperluas rentang regangan dan mencapai penginderaan yang stabil dalam karya ini.

Menariknya, konduktivitas struktur kerutan secara signifikan ditingkatkan dibandingkan dengan struktur datar, seperti yang dikarakterisasi dengan pengukuran arus-tegangan pada suhu ruang (Gambar 4d dan e). Kedua sensor menunjukkan perilaku ohmik, dan resistensi sensor dengan struktur datar dan struktur kerutan dihitung masing-masing 256,41 Ω dan 53,13 Ω. Kami menyarankan bahwa jumlah Ag@OH-f MWCNT, yang merupakan faktor kunci konduktivitas sensor, 4,8 kali lebih tinggi dalam struktur kerutan daripada yang datar.

Tes peregangan sensor regangan lunak. a, (b), dan (c) Model skematik penginderaan; kurva I-V dari (d) sensor regangan lunak berbasis Ag@OH-f MWCNT tanpa struktur kerutan dan (e) sensor regangan lunak berbasis Ag@OH-f MWCNT dengan struktur kerutan. Perubahan resistensi relatif sensor dengan (f) sensor regangan lunak berbasis Ag@OH-f MWCNT tanpa struktur kerutan dan (g) sensor regangan lunak berbasis Ag@OH-f MWCNT dengan struktur kerutan

Perubahan resistensi relatif adalah salah satu parameter kunci yang digunakan untuk mengevaluasi kinerja sensor regangan lunak. Seperti itu, perubahan resistensi relatif sensor regangan berbasis Ag@OH-f MWCNT kemudian diteliti, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4f dan g, di mana ΔR dan R0 mewakili perubahan resistensi relatif di bawah deformasi dan resistensi awal sensor, masing-masing. Perubahan resistensi relatif untuk sensor datar adalah 4,18 pada regangan maksimum 42% ke sensor (Gambar 4f), sementara untuk sensor kerutan adalah 174 (Gambar 4g). Selain itu, untuk sensor datar, resistensi berubah pada regangan di atas 30%, sedangkan untuk yang kerutan berubah pada regangan di atas 20%. Perubahan resistensi terjadi ketika konfigurasi jaringan Ag@OH-f MWCNT dalam PDMS mulai berubah di bawah regangan peregangan. Regangan yang lebih kuat memisahkan jaringan dengan jarak yang lebih besar komposit nano, mengurangi saluran tunnel dan jumlah jalur konduktif. Lebih lanjut, kami mendefinisikan L0 sebagai panjang awal dan ΔL sebagai peregangan relatif di bawah regangan aksial ke sensor. Oleh karena itu, faktor pengukuran (GF) 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 kerutan adalah 9,95 dan 412,32, masing-masing. GF adalah indikator sensitivitas untuk sensor regangan lunak. Dibandingkan dengan struktur datar, GF lebih dari 40 kali lipat yang dicapai oleh sensor kerutan manifestasi desain komposit nano kami dan efektif untuk aplikasi penginderaan lebih lanjut.

Kami kemudian mengusulkan model untuk memahami variasi resistensi sensor regangan dengan struktur kerutan dalam proses peregangan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Gambar 4a mewakili jaringan konduktif Ag@OH-f MWCNT di dalam sensor regangan lunak dengan struktur kerutan bebas. Perlakuan permukaan PDMS untuk meningkatkan affinitas ikatan antara komposit nano dan PDMS sangat penting untuk konfigurasi dan, akibatnya, untuk kinerja sensor. Tanpa perlakuan, ikatan komposit nano ke PDMS hidrofobik buruk, jaringan mudah terganggu, dan jalur konduktif terputus oleh peregangan (Gambar 4b). Oleh karena itu, resistensi sensor tiba-tiba meningkat, yang disebabkan oleh penurunan tajam jumlah saluran tunnel dan jalur konduktif, yang pada akhirnya mengarah pada rentang penginderaan yang kecil dan sensitivitas rendah. Di sisi lain, setelah perlakuan permukaan plasma oksigen, PDMS hidrofilik menunjukkan affinitas tinggi terhadap komposit nano (Gambar 4c). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4d, jumlah saluran tunnel dan jalur konduktif berkurang secara bertahap seiring pemisahan jaringan Ag@OH-f MWCNT oleh peregangan. Perubahan resistensi terkait sensor dengan perlakuan permukaan PDMS adalah 41,63 kali lebih besar daripada tanpa perlakuan permukaan, yang mengindikasikan bahwa perlakuan permukaan memainkan peran penting dalam meningkatkan sensitivitas dan rentang regangan sensor berdasarkan komposit nano Ag@OH-f MWCNT baru ini.

Dalam studi ini, kami menerapkan unit penginderaan dengan sensitivitas tinggi dan rentang regangan yang relatif luas yang dikembangkan dalam detektor napas portabel (Gambar 5). Iden kerja detektor dalam pemantauan frekuensi napas ditunjukkan pada Gambar 5a dan b. Tampilan atas dan bawah detektor ditunjukkan pada Gambar 5c dan d, masing-masing. Sensor diregang dan resistensi bertambah saat menarik napas. Akibatnya, arus terlalu rendah untuk menyalakan dioda pemancar cahaya (LED). Sebaliknya, LED menyala saat udara dihembuskan keluar. Selain itu, perubahan resistensi relatif dieksploitasi dalam pengenalan ekspresi wajah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5e hingga g. Perubahan resistensi relatif sensor adalah 4 ± 0,2 ketika sukarelawan berkedip. Ketika sukarelawan yang sama mengerutkan kening, perubahan resistensi identik menjadi 5,5 ± 0,1. Menariknya, tindakan tersenyum mengakibatkan perubahan resistensi relatif sebesar 15 ± 0,5. Hasil menunjukkan bahwa sensor regangan lunak berbasis Ag@OH-f MWCNT dengan struktur kerutan memiliki potensi besar untuk berbagai aplikasi dalam penginderaan kesehatan dan deteksi gerakan manusia.

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

Performa berbagai bahan sensor regangan lunak dibandingkan. Seperti yang digambarkan pada Tabel 1, dibandingkan dengan sensor regangan berdasarkan material 1D lainnya, sensor struktur kerutan berdasarkan OH-f MWCNTs menunjukkan konduktivitas yang baik, fleksibilitas yang ditingkatkan, faktor pengukuran yang luar biasa, dan stabilitas.

Kesimpulan

Dalam kertas ini, sensor regangan fleksibel dan sensitif yang tinggi yang terdiri dari PDMS dan Ag@OH-f MWCNT dirancang. Komposit nano Ag@OH-f MWCNT disiapkan dengan mengurangi ion Ag sepanjang MWCNT. Penggunaan OH-f MWCNTs sangat penting untuk meningkatkan energi ikatan atom Ag dan material karbon untuk meningkatkan fleksibilitas komposit nano. Pada saat yang sama, perlakuan permukaan plasma oksigen PDMS penting untuk pembuatan sensor dengan struktur kerutan untuk mencapai kinerja penginderaan yang stabil dan unik. Hasil resistensi dan piezoresistif menunjukkan bahwa sensor memiliki GF 412 dan rentang regangan 42,2%. Penggunaan sensor dalam pengujian frekuensi napas dan pemantauan gerakan wajah telah menunjukkan bahwa sensor yang dirancang dengan baik dengan komposit nano baru dan struktur kerutan dapat digunakan dalam perangkat wearable untuk berbagai tujuan.