成果简介
碳纳米管（CNT）因其卓越的物理特性而在下一代传感器中具有广阔的前景。然而，由于碳纳米管容易受到自发重建的影响，因此保持碳纳米管的精确堆叠配置以充分利用其卓越的性能具有挑战性。本文，江南大学赵军华教授、魏宁教授等研究人员在《ACS Sens》期刊发表名为“Highly Sensitive Weaving Sensor of Hybrid Graphene Nanoribbons and Carbon Nanotubes for Enhanced Pressure Sensing Function”的论文，研究受编织技术的启发，我们提出了一种 CNT-石墨烯纳米带混合编织模型，它可以保持 CNT 的特定结构，从而实现其精心设计的功能。
在本研究中，我们进行了全面的分子动力学模拟，研究了 CNT 石墨烯混合编织模型的热稳定性，以及利用异质连接处热传输对机械变形的独特响应将其应用于压力传感的潜力。热稳定性对石墨烯纳米带的尺寸很敏感，当其宽度大于 2.0 纳米时，编织结构在 200-500 K 的温度范围内保持稳定。此外，令人兴奋的是，通过分析热传导分布（可从热传导与压力之间的关系得出），传感器能有效预测外部负载物体的形状。我们的发现为纳米材料自下而上的功能设计提供了启示，并拓展了高性能纳米传感器在其他相关领域的广泛应用。
图文导读
图1.宏观和纳米尺度编织图案的比较。
图2. (a) CGWS 模型图；放大图显示了原子结构。(b) CGWS 的透视图、俯视图、正视图和侧视图。LX、LY 和 LZ 分别表示结构的长度、宽度和粗厚度（模拟框的厚度）。Lgnr 和 Wgnr 分别表示编织 GNR 的长度和宽度。Lgnr-unit 是单元中 GNR 的长度。
图3. CGWS 在 200 至 500 K 不同温度跨度下的快照。
图4. (a) GNR 包裹的 CNT 的几何结构示意图。内聚能 ΔE 随石墨烯半径 R1 的变化。(b) CGWS（Wgnr = 1.2 nm 和 2.4 nm）- Lgnr = 19 nm 在不同温度下松弛时的几何尺寸和构型演变历史。(c) 200-500K 时不同长度（Lgnr = 19 nm + 0.5%、+1.0%、+2.6% 和 +3.1%）的 GNR 的 CGWS 构型。
图5. 基于 CGWS 石墨烯混合薄膜的柔性压力传感器
图 6. (a) CGWS-石墨烯传感矩阵图；放大图显示了结构变形。在 CGWS 上放置（b）圆柱体、（c）不规则立方体或（d）多个球体的示意图，以及石墨烯基底上相应的应力分布图。CGWS 压力传感器网络中 CNT 和 GNR 在放置（e）圆柱体、（f）不规则立方体或（g）多个球体时的相对导热系数直方图，以及相关的导热系数变化图（白圆：实际接触面积）。在映射图中，Δκ 代表相对热导率的变化，即 [(κCNT_0 – κCNT)/κCNT_0]+ (κGNR_0 – κGNR)/κGNR_0，κ0 代表无应力时的相对热导率值，即 2.0（κCNT_0/κCNT_0 + κGNR_0/κGNR_0）。
小结
综上所述，我们报道了一种 CNT-GNR 混合编织膜，并利用 MD 模拟探讨了其热稳定性。在本研究中，当GNR以半圆形包裹 CNT，与管壁保持 0.335 nm 的距离，且宽度大于2.0nm时，可保持稳定的结构。此外，利用异质结的热传输对机械变形的独特响应，我们还探索了这种 CGWS 石墨烯模型异质结构压力传感器的概念验证设计。由于 CGWS 石墨烯薄膜独特的异质结层次结构，所获得的压力传感器在低压下表现出很高的灵敏度（>1.0 kPa-1）。该传感器可根据施加在不同物体上的压力绘制相对热导率图，从而提供空间信息。我们的研究结果揭示了织物自下而上的设计及其优异的传感性能，有望应用于航空航天、纳米保护装置等领域。
文献：https://doi.org/10.1021/acssensors.4c00170
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