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橡皮泥里摻進石墨烯變身超靈敏壓力傳感器

瀏覽次數: 日期:2017-03-13
  用石墨烯和橡皮泥制成的傳感器,可以24小時實時監測血壓。
  只需加入少許石墨烯,就可以把橡皮泥變為壓力傳感器。這種傳感器異常靈敏,不但可以監測人體脈搏,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”,研發者希望基于它開發持續監測血壓的設備。此外G-putty還表現出了自我修復的能力,預示著它可能成為更智能的石墨烯復合材料。
  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,希望創造出能從石墨烯的高強度和極佳導電性中受益的復合材料。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。
  在都柏林三一學院(Trinity College Dublin)Jonathan Coleman納米技術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生什么。“我很希望說,該想法是仔細構思得來的,但并不是,” Coleman笑著說,“因為我們正好有這么個傳統——將家用器具用于科學研究中。”(他的團隊在2014年發現,用廚房中的攪拌器快速攪拌石墨,可以獲得石墨烯。)
  【圖注】Jonathan Coleman和他的兒子正在擺弄G-putty。圖片來源:都柏林三一學院
  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,得到能導電的深灰色G-putty。這種材料關鍵的一個特點是,即使研究人員僅施加微弱的壓力,它的電阻也會發生極大變化。這種橡皮泥比其他納米復合材料傳感器至少敏感10倍。
  研究人員將一塊G-putty連上導線,放在一個學生的頸部,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,可被轉換為精確的血壓讀數。該傳感器也可以放在學生的胸部,監測呼吸。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。”這項研究發表在了《科學》上。
  Coleman的研究團隊發現,石墨烯薄片在橡皮泥中形成了導電網絡,橡皮泥變形會破壞該網絡,導致電阻迅速增加。接著,由于G-putty黏度較低,石墨烯薄片可以移回原位置,并重組網絡。“這是一種自愈現象。” Coleman解釋道。
  Coleman已經在與有興趣用G-putty進行持續生理監測的醫療器械公司商談。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。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測血壓。
  Sanna Arpiainen是研究石墨烯的資深科學家,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用很感興趣。但她警告道,在將G-putty商業化之前,還需克服一系列障礙——包括證明它可以大規模批量生產,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,但他發現稍不注意,那只稍大些的蜘蛛已經將它的小伙伴吞入腹中了。”他沒有預料到和動物一起工作會遇到這種困難。” Coleman說。

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