香港城市大学杨勇团队Nano Lett.：高强度与高延展性——可用于柔性摩擦电传感的大面积二维钛

     2023年06月30日

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01【导读】

 

钛金属以其高机械强度、耐腐蚀性和优越的生物相容性而闻名，在生物医学工程与可穿戴设备领域具有广阔的应用前景。然而，传统的钛金属材料受制于强度-延展性权衡困境，表现出较低的延展性。这使得它们在可穿戴设备中的应用潜力未得到充分挖掘。

二维金属材料由于特殊的结构及尺寸效应的作用，表现出不同于传统材料的物理化学特性，引起了学界的广泛关注。聚合物表面屈曲剥离技术（PSBEE）使得大面积制备二维金属成为可能。利用PSBEE方法制备的二维钛纳米薄膜（2D Ti nanomembrane）为钛金属材料的性能改善及其应用提供了新的思路。

 

02【成果掠影】

 

最近，香港城市大学的杨勇教授团队基于自主研发的聚合物表面屈曲剥离技术（PSBEE）制备出大面积二维钛纳米薄膜（2D Ti nanomembrane，下文简称“二维钛”），首次报道了该材料的优异力学性能。二维钛具有独特的纳米尺度异质结构（包含钛纳米晶、钛氧化物及MXene-like结构），并表现出卓越的机械强度（6-13 GPa）与延展性（25%-35%），优于迄今报道的其他钛基材料。值得注意的是，二维钛表现出优于其他金属材料的摩擦电效应。这使得二维钛可用于制备超薄、贴合表皮、且力学稳定的自供能摩擦电传感器。

相关成果以“Ultra-Strong yet Ductile 2D Titanium Nanomaterial for On-Skin Conformal Triboelectric Sensing”为题发表在Nano Letters上。

03【核心创新点】

 

这项研究首次报道了具有高机械强度与高延展性的二维钛纳米材料，并为二维钛在新型电子器件领域（如电子皮肤、摩擦电传感器等）的应用提供了新的思路。

 

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【数据概览】

 

图1. a-d) 分散于水中的不同厚度二维钛。e-g) 不同厚度二维钛的SAED 图像. h) 不同厚度二维钛的SAED图通过环向积分得到的信号强度曲线，绿色和紫色竖线分别标定了HCP Ti 与 FCC TiC 对应的峰位置。i) 18nm厚二维钛的TEM图与SAED图案。j) 二维钛的HRTEM图。k-n) HAADF-STEM 图与对应的元素mapping。o, p) HRTEM下二维钛的六角密排结构。q) 二维钛的晶面间距与 HCP Ti 以及 Ti_n+1C_nT_x MXene 比较。r-t) HRTEM 图像，二维钛中存在的FCC 晶格。

图2. 二维钛的纵深XPS分析。a, b) Ti 2p 轨道的XPS窄谱分析。c, d) C 1s 轨道的XPS窄谱分析。e, f) O 1s轨道能量的XPS窄谱分析。g) Ti, C, O 元素随着XPS蚀刻时间的分布变化。h,i) 二维钛与传统钛镀层的导电AFM（CAFM）结果（样品电压：-50 mV）。j) 从CAFM结果提取得到的电流强度的线扫曲线。k) 二维钛的flash DSC结果。l)二维钛的纳米结构示意图

图 3. a) AFM力学测试的实验设置示意图。b-c) 测试前后二维钛的形貌图。d) AFM测试下二维钛的力-位移曲线。蓝线与红线分别代表通过纯弹性与弹塑性模型模拟得到的力-位移曲线。e) 有限元模拟得到的二维钛von Mises塑性应变分布。f) 二维钛的裂纹TEM图。g) 裂纹扩展区域的TEM图与FFT图案。h) 二维钛与其他材料的屈服强度与延展性。i) 用于MD计算的二维钛原子模型。j, k) MD模拟下二维钛受10%拉伸及压缩时的原子结构变化。l) MD模拟下二维钛受拉伸及压缩时的力-位移曲线。

图 4. a) 转移至指关节皮肤上的二维钛。比例尺长度为2 cm。b-c) 指关节弯曲和伸展状态下的二维钛照片。比例尺长度为1 cm。d) 表皮上二维钛的电阻随弯曲-伸展次数的变化。e) 表皮上摩擦电传感器结构示意图。f) 由PMDS与二维钛组成的表皮上摩擦电传感器。比例尺长度为1 cm。g) 二维钛与其他常用金属材料的电荷转移密度比较。h) 表皮上二维钛及覆盖其上的PDMS。比例尺长度为1 mm。i) 表皮上摩擦电传感器的纵剖面示意图。j) 表皮上摩擦电传感器的测试方式。比例尺长度为3cm。k) 不同撞击刺激下表皮上摩擦电传感器的输出电压。

 

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【成果启示】

 

总而言之，本研究通过PSBEE方法制备了横向宽度达到厘米级别，且厚度低于50纳米的二维钛。该材料具有独特的纳米尺度异质结构，并表现出优异的屈服强度与延展性。凭借其超薄的几何特性，优异的机械性能与摩擦电活性，二维钛成功用于制备贴合人体表皮的自供能摩擦电传感器。本研究表明，通过PSBEE制备的大面积二维钛在新型柔性器件中（例如电子皮肤与可穿戴传感器）具有广阔的应用前景。

原文详情

Park, Minhyuk, Qing Yu, Qing Wang, Chaojie Chen, Zhibo Zhang, Ziyin Yang, Huan Chen et al. "Ultrastrong yet Ductile 2D Titanium Nanomaterial for On-Skin Conformal Triboelectric Sensing." Nano Letters (2023).

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.3c01776