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橡皮泥里摻進石墨烯變身超靈敏壓力傳感器
來源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2017/1/16


  用石墨烯和橡皮泥制成的傳感器,可以24小時實時監(jiān)測血壓。只需加入少許石墨烯,就可以把橡皮泥變?yōu)?a href="http://www.jsxlzzp.com/sensors/chuanganqi1_0.html" target="_blank" title="">壓力傳感器。這種傳感器異常靈敏,不但可以監(jiān)測人體脈搏,甚至還能探查到一只小蜘蛛的腳步。


  這種石墨烯橡皮泥被稱作“G-putty”,研發(fā)者希望基于它開發(fā)持續(xù)監(jiān)測血壓的設(shè)備。此外G-putty還表現(xiàn)出了自我修復(fù)的能力,預(yù)示著它可能成為更智能的石墨烯復(fù)合材料。


  自2004年首次分離出石墨烯,研究人員就嘗試將這些碳原子薄層添加到各種材料中,希望創(chuàng)造出能從石墨烯的高強度和極佳導(dǎo)電性中受益的復(fù)合材料。但令人驚訝的是,幾乎還沒有人嘗試將石墨烯與橡皮泥這樣的黏彈性(viscoelastic)材料混合。橡皮泥同時表現(xiàn)出彈性固體和液體的特征,比如將一塊橡皮泥放在一個洞上,它會慢慢地滲漏過去。


  在都柏林三一學(xué)院(Trinity College Dublin)Jonathan Coleman納米技術(shù)實驗室工作的研究員Conor Boland表示,他好奇將石墨烯和橡皮泥混合后會發(fā)生什么。“我很希望說,該想法是仔細構(gòu)思得來的,但并不是,” Coleman笑著說,“因為我們正好有這么個傳統(tǒng)——將家用器具用于科學(xué)研究中!(他的團隊在2014年發(fā)現(xiàn),用廚房中的攪拌器快速攪拌石墨,可以獲得石墨烯。)


Jonathan Coleman和他的兒子正在擺弄G-putty。圖片來源:都柏林三一學(xué)院


  研究人員將大約20層原子厚, 800納米長的石墨烯薄片與自制的橡皮泥(一種有機硅聚合物)混合,得到能導(dǎo)電的深灰色G-putty。這種材料關(guān)鍵的一個特點是,即使研究人員僅施加微弱的壓力,它的電阻也會發(fā)生極大變化。這種橡皮泥比其他納米復(fù)合材料傳感器至少敏感10倍。


  研究人員將一塊G-putty連上導(dǎo)線,放在一個學(xué)生的頸部,通過電阻變化就能清楚地測出他的頸動脈脈搏。事實上,脈沖輪廓非常精細,可被轉(zhuǎn)換為精確的血壓讀數(shù)。該傳感器也可以放在學(xué)生的胸部,監(jiān)測呼吸。另外,有點匪夷所思的是,它還能記錄下一只體重僅有20毫克的蜘蛛落下的每一個腳步。


  “他們充分證明了這種材料的多功能性,” 意大利國立研究委員會的材料科學(xué)家Vincenzo Palermo說,“我認為這是個了不起的工作,非常新穎。”這項研究發(fā)表在了《科學(xué)》上。


  Coleman的研究團隊發(fā)現(xiàn),石墨烯薄片在橡皮泥中形成了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),橡皮泥變形會破壞該網(wǎng)絡(luò),導(dǎo)致電阻迅速增加。接著,由于G-putty黏度較低,石墨烯薄片可以移回原位置,并重組網(wǎng)絡(luò)!斑@是一種自愈現(xiàn)象。” Coleman解釋道。


  Coleman已經(jīng)在與有興趣用G-putty進行持續(xù)生理監(jiān)測的醫(yī)療器械公司商談。例如,病人通常需要戴上笨重的護腕測量血壓,并只能得到一個瞬時讀數(shù)。但G-putty這樣價廉而小巧的非侵入式傳感器,能讓病人在家里輕輕松松監(jiān)測血壓。


  Sanna Arpiainen是研究石墨烯的資深科學(xué)家,在赫爾辛基(Helsinki)附近的一個大型合同研究組織VTT工作,她說一些公司,比如諾基亞(Nokia)對石墨烯傳感器的健康應(yīng)用很感興趣。但她警告道,在將G-putty商業(yè)化之前,還需克服一系列障礙——包括證明它可以大規(guī)模批量生產(chǎn),以及通過測試來評估其長期性能。Palermo對此表示贊同:“對于實際應(yīng)用,你需要它以相同方式運行成千上萬次!


  在進行G-putty實驗時,研究人員遇到了一個意想不到的阻礙。Boland本想在兩只蜘蛛之間進行比較測試,但他發(fā)現(xiàn)稍不注意,那只稍大些的蜘蛛已經(jīng)將它的小伙伴吞入腹中了。”他沒有預(yù)料到和動物一起工作會遇到這種困難。” Coleman說。


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