基于海绵的柔性压阻压力传感器在可穿戴设备与人机交互中需求旺盛，但要同时实现超高灵敏度、宽检测范围与长期机械稳定性，至今仍是一大挑战——其症结主要在于导电纳米填料与海绵骨架之间界面粘附力薄弱，导致导电网络在反复压缩中易断裂、失效。基于此，本文，兰州交通大学陈虎强 副教授在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊发表题为”Synergistic Interface Engineering of Dopamine and SDBS for Constructing High-Performance Graphene/Sponge Composites With Enhanced Stability and Sensitivity”的研究论文。该工作提出一种稳健的界面工程策略，以聚多巴胺（PDA）改性聚氨酯（PU）海绵为骨架、以十二烷基苯磺酸钠SDBS）功能化的石墨烯为导电填料，构建出多功能 Gr@SDBS/PDA@PU 复合海绵。
此外，PDA 涂层为 PU 海绵赋予了富含儿茶酚与氨基、带正电的表面，而 SDBS 则为石墨烯引入负电荷并提升其分散稳定性。第一性原理密度泛函理论（DFT）计算揭示了 PDA@PU 海绵与 Gr@SDBS 纳米片之间的界面相互作用与电子结构演化，表明协同的氢键与静电吸引共同保证了强界面粘附与石墨烯的均匀修饰。经系统测试，这种由多重非共价相互作用建立的稳健界面，促使石墨烯在三维 PU 骨架上实现保形、均匀包覆，从而形成高度稳定且连续的导电通路；所得 Gr@SDBS/PDA@PU 复合海绵展现出卓越的灵敏度（6.46 kPa⁻¹）、宽检测范围（最高 550 kPa）、快速响应时间（31.1 ms）以及出色的循环稳定性（最高 5000 次）。进一步地，通过集成微型无线蓝牙模块，该传感器可对手指关节运动进行精准实时监测，并实现基于手势的无线远程人机交互。本研究从机理层面阐释了石墨烯/海绵复合材料的界面工程，并为智能可穿戴电子提供了一种全新的材料范式。
Figure 1.Schematic illustration of the manufacture process and sensing mechanism of the Gr@SDBS/PDA@PU sponge composite. (a) Pristine PU sponge with a porous 3D structure. (b) PDA@PU sponge obtained by surface modification with PDA Tris-buffered solution. (c) Well-designed Gr@SDBS/PDA@PU sponge with Gr@SDBS slurry via interfacial interactions (hydrogen bonding and electrostatic attraction).
综上所述，本文针对混合柔性海绵复合材料提出了一种基于多种非共价相互作用的协同界面工程策略。通过π–π堆积和静电相互作用，将SDBS分子锚定在分层良好且导电性极高的石墨烯上，所得的Gr@ANS纳米片兼具疏水尾部和亲水磺酸盐头基。此外，经DPA改性的PU海绵在保留三维交联网络结构的同时，其表面引入了丰富的儿茶酚和伯胺基团。随后，通过Gr@SDBS与DPA@PU海绵之间的多种非共价相互作用，获得了坚固且稳定的传感界面层。所制备的 Gr@SDBS/DPA@PU 复合材料具有超高的灵敏度（在低压范围内高达 6.46 kPa–1）、宽检测范围（0–550 kPa）、快速的响应/恢复时间（31.1/43.4 ms）以及出色的长期稳定性。密度泛函理论（DFT）计算表明，这些优异性能源于Gr@SDBS与DPA@PU之间协同作用的氢键和静电相互作用所驱动的强健界面粘附力和有利的电子结构。此外，该传感器还展现出卓越的空间压力成像能力和可靠的可穿戴性能，能够通过无线传输系统准确检测多种机械刺激，并实时监测人体关节运动。这项研究不仅深化了对压阻复合材料的基础认识，还为人机交互和智能机器人领域中下一代柔性电子设备的开发提供了极具前景的策略。
文献：https://doi.org/10.1021/acsami.6c15396
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