在智能电子设备的世界中，压力传感器扮演着至关重要的角色，它们是连接物理世界与数字世界的桥梁。从航空航天到人机交互，从运动检测到结构健康监测，压力传感器的应用无处不在。理想的压力传感器需在广泛的压力范围内具备高灵敏度，能够涵盖从触觉到低中压，以及高压甚至超高压的各个压力区间。然而，传统的基于氧化石墨烯（GO）的压阻式压力传感器由于纳米片之间点对点接触机制的限制，导致其低模量，因而在高压甚至超高压传感方面存在瓶颈。
为了解决这一问题，北京化工大学材料科学与工程学院贾晓龙教授、杨小平教授团队在《Chemical Engineering Journal》上发表了一篇创新性研究论文，提出了一种基于构象互锁构建分级多孔石墨烯膜（PGM）的新方法。研究通过π-π共轭相互作用，锁定氧化石墨烯（GO）纳米片的三维皱缩构象，构建了具有分级多孔结构的柔性石墨烯膜（PGM）。基于分级孔结构的两步变形机制实现了在超高压范围内的灵敏响应。
图1 由三维皱缩构象的GO纳米片到分级多孔PGM的结构调控
PGM柔性传感器在高达2000 kPa的压力范围内表现出前所未有的高压响应，其灵敏度在1-600 kPa和600-2000 kPa压力范围内分别达到1.1和0.7 kPa−1，并在超过10,000次循环的高压稳定性测试中表现出优异的性能。
图2 PGM的两步变形机制与超高压传感性能评估
PGM柔性传感器在灵敏度和响应范围上取得了显著突破，并在实际应用中展示了其多功能性和稳定性。其不仅能实时监测压力容器模型的充气/放气过程，还能检测人体运动如手指、肘部、膝盖的弯曲以及行走、跑步和跳跃等动作。PGM的分级多孔结构为开发超宽范围和超高压传感设备提供了新的方向，具有在结构健康监测、个人健康护理和医疗诊断等领域的广阔应用前景。
图3 PGM传感器用于监测压力容器模型的充放气过程
图4 PGM传感器用于监测人体运动
以上研究成果以“Conformational interlocking induced construction of hierarchically porous graphene membrane for ultrahigh-pressure sensing” 为题，发表于Chemical Engineering Journal上。北京化工大学博士研究生刘聪为第一作者，北京化工大学贾晓龙教授与孟庆函教授为通讯作者。
该研究受到北京自然科学基金（No. 2242052, No. 2192044）、国家重点研发计划（No. 2019YFB1504800）、中央高校基本科研业务费（No. XK1802-2）、BUCT青年人才计划、2020-2024有机无机复合材料国家重点实验室开放课题（No. Oic-202001008, Oic-202101008, Oic-202201007, Oic-202301003, Oic-2024020002）等项目资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153140
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