超高靈敏度石墨烯傳感器靈感來自一塊橡皮泥
2017-02-14
愛爾蘭都柏林大學(xué)圣三一學(xué)院學(xué)生Conor Boland及其指導(dǎo)教授Jonathan Coleman經(jīng)常在該校先進(jìn)材料與生物工程研究實(shí)驗(yàn)室嘗試各種新材料，就在一次隨手混合黏彈性化合物與石墨烯的意外中，開啟了打造超高靈敏傳感器的新機(jī)會。
都柏林大學(xué)圣三一學(xué)院教授Jonathan Coleman說：“這個想法來自于在實(shí)驗(yàn)室中隨意地動手玩創(chuàng)意，我的學(xué)生Conor Boland認(rèn)為如果將石墨烯混合制造兒童玩具黏土(Silly Putty)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(x-linked)聚合物應(yīng)該會很有趣。結(jié)果確實(shí)如此！它形成了一種非常柔軟的矩陣，而且具有相當(dāng)有趣的特性。這也我們開啟了一項(xiàng)為期30個月的超高靈敏傳感器研究計(jì)劃?！?/p>
這項(xiàng)研究報告主題是“使用黏彈性的石墨烯-聚合物納米復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)靈敏的機(jī)電傳感器” (Sensitive electromechanical sensors using viscoelastic graphene-polymer nanocomposites)，發(fā)表在《科學(xué)》期刊中，文中詳細(xì)介紹混合石墨烯納米薄片至具有高度黏彈性的聚硅氧烷基體(即一般市售的Silly Putty品牌兒童玩具黏土)后，如何產(chǎn)生不尋常的機(jī)電特性，以及如何用于制造超高靈敏度的應(yīng)變傳感器。 
都柏林大學(xué)圣三一學(xué)院學(xué)生Conor Boland及其指導(dǎo)教授Jonathan Coleman在混合黏彈性化合物(黏土)與石墨烯時意外發(fā)現(xiàn)打造超靈敏傳感器的可能性（來源：AMBER, Trinity College Dublin）
研究人員展示其自行制造與命名的G-putty，這是一種質(zhì)地均勻且等向的石墨烯納米薄片結(jié)構(gòu)，可在低黏性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)聚合物中形成，不僅大幅增加了化合物的電導(dǎo)率(在15vol%時達(dá)到大約0.1 S/m的電導(dǎo)率)，同時仍能維持高遷移率與兼容性。
石墨烯納米片的這種高遷移率意味著：在G-putty上施加較小的拉伸應(yīng)力后，可觀察到電阻急劇提高，其后則隨石墨烯納米片緩慢放松而逐漸衰減。因此，研究人員得以開發(fā)定量模型，準(zhǔn)確地描述電阻變形后的暫時松弛，以及電阻率隨應(yīng)力發(fā)生的非單調(diào)變化。
研究人員在其論文中寫道，“這種網(wǎng)絡(luò)松弛可以被視為是一種自我修復(fù)的過程。納米復(fù)合材料的這種遷移率在室溫下是前所未見的。然而，它也代表著一種可塑性，意味著變形并不是完全可逆的?！?/p>
透過監(jiān)測其電阻，G-putty可作為極其靈敏的機(jī)電傳感器，具有超過500的計(jì)量系數(shù)，能夠測量脈搏和血壓(當(dāng)按壓頸動脈時)或作為碰撞傳感器使用。在碰撞G-putty薄片時，可透過電阻波形顯示沖擊力道的快速躍升，隨后則是降序衰減。這種傳感器的靈敏度甚至可高到用于辨識剛好在實(shí)驗(yàn)室中閑逛的小蜘蛛所走過的每一步。 
(A)呼吸；(B)脈搏；圖(B)中的插圖顯示蜘蛛的單一周期脈沖波形，指示具特征性的脈沖切跡；(C)與蜘蛛(地窖蜘蛛、底部插圖)走過約2nm厚G-putty薄片有關(guān)的部份電阻變化。(頂部插圖)放大響應(yīng)顯示走過的每一步（來源：AMBER, Trinity College Dublin） 
都柏林大學(xué)教授Jonathan Coleman手持石墨烯黏土，而他的兒子Oisin則好奇地玩著Silly Putty兒童玩具黏土（來源：AMBER, Trinity College Dublin）
Coleman表示， “在實(shí)際的裝置中，這種黏土必須安裝在某種具有適當(dāng)封裝的腕帶上，這應(yīng)該很容易實(shí)現(xiàn)?！?/p>
他并補(bǔ)充說：“由于復(fù)合材料的黏彈特性，其動態(tài)靈敏度將取決于頻率。這種傳感器特別適用于動態(tài)感測具有明確定義的頻率，例如脈搏或呼吸等應(yīng)用?！币虼?，這將有助于開啟更多的醫(yī)療感測應(yīng)用。
那么，這些性質(zhì)是否會限制G-putty僅作為應(yīng)變傳感器用于相對較快的事件？
“對于快速(更高頻率)感測的應(yīng)用可能更好，因?yàn)閺椥圆糠菡贾鲗?dǎo)地位，而黏性的響應(yīng)最小。不過，我們目前尚未進(jìn)行高頻率的測試，”Coleman總結(jié)道。