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超高灵敏度石墨烯传感器灵感来自一块橡皮泥

爱尔兰都柏林大学圣三一学院学生Conor Boland及其指导教授Jonathan Coleman经常在该校先进材料与生物工程研究实验室尝试各种新材料,就在一次随手混合黏弹性化合物与石墨烯的意外中,开启了打造超高灵敏传感器的新机会。

都柏林大学圣三一学院教授Jonathan Coleman说:“这个想法来自于在实验室中随意地动手玩创意,我的学生Conor Boland认为如果将石墨烯混合制造儿童玩具黏土(Silly Putty)的网状结构(x-linked)聚合物应该会很有趣。结果确实如此!它形成了一种非常柔软的矩阵,而且具有相当有趣的特性。这也我们开启了一项为期30个月的超高灵敏传感器研究计划。”dFcesmc

这项研究报告主题是“使用黏弹性的石墨烯-聚合物纳米复合材料实现灵敏的机电传感器” (Sensitive electromechanical sensors using viscoelastic graphene-polymer nanocomposites),发表在《科学》期刊中,文中详细介绍混合石墨烯纳米薄片至具有高度黏弹性的聚硅氧烷基体(即一般市售的Silly Putty品牌儿童玩具黏土)后,如何产生不寻常的机电特性,以及如何用于制造超高灵敏度的应变传感器。
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都柏林大学圣三一学院学生Conor Boland及其指导教授Jonathan Coleman在混合黏弹性化合物(黏土)与石墨烯时意外发现打造超灵敏传感器的可能性(来源:AMBER, Trinity College Dublin)dFcesmc

研究人员展示其自行制造与命名的G-putty,这是一种质地均匀且等向的石墨烯纳米薄片结构,可在低黏性网状结构聚合物中形成,不仅大幅增加了化合物的电导率(在15vol%时达到大约0.1 S/m的电导率),同时仍能维持高迁移率与兼容性。dFcesmc

石墨烯纳米片的这种高迁移率意味着:在G-putty上施加较小的拉伸应力后,可观察到电阻急剧提高,其后则随石墨烯纳米片缓慢放松而逐渐衰减。因此,研究人员得以开发定量模型,准确地描述电阻变形后的暂时松弛,以及电阻率随应力发生的非单调变化。dFcesmc

研究人员在其论文中写道,“这种网络松弛可以被视为是一种自我修复的过程。纳米复合材料的这种迁移率在室温下是前所未见的。然而,它也代表着一种可塑性,意味着变形并不是完全可逆的。”dFcesmc

透过监测其电阻,G-putty可作为极其灵敏的机电传感器,具有超过500的计量系数,能够测量脉搏和血压(当按压颈动脉时)或作为碰撞传感器使用。在碰撞G-putty薄片时,可透过电阻波形显示冲击力道的快速跃升,随后则是降序衰减。这种传感器的灵敏度甚至可高到用于辨识刚好在实验室中闲逛的小蜘蛛所走过的每一步。
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(A)呼吸;(B)脉搏;图(B)中的插图显示蜘蛛的单一周期脉冲波形,指示具特征性的脉冲切迹;(C)与蜘蛛(地窖蜘蛛、底部插图)走过约2nm厚G-putty薄片有关的部份电阻变化。(顶部插图)放大响应显示走过的每一步(来源:AMBER, Trinity College Dublin)
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都柏林大学教授Jonathan Coleman手持石墨烯黏土,而他的儿子Oisin则好奇地玩着Silly Putty儿童玩具黏土(来源:AMBER, Trinity College Dublin)dFcesmc

Coleman表示, “在实际的装置中,这种黏土必须安装在某种具有适当封装的腕带上,这应该很容易实现。”dFcesmc

他并补充说:“由于复合材料的黏弹特性,其动态灵敏度将取决于频率。这种传感器特别适用于动态感测具有明确定义的频率,例如脉搏或呼吸等应用。”因此,这将有助于开启更多的医疗感测应用。dFcesmc

那么,这些性质是否会限制G-putty仅作为应变传感器用于相对较快的事件?dFcesmc

“对于快速(更高频率)感测的应用可能更好,因为弹性部份占主导地位,而黏性的响应最小。不过,我们目前尚未进行高频率的测试,”Coleman总结道。dFcesmc

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Julien Happich
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