石墨烯橡皮泥傳感器

JonathanN.Coleman

編譯/李雨蒙

自從2004年，石墨烯被分離出后，科學(xué)家就開(kāi)始在不同材料中加入這些碳原子，獲得其中的高韌性和導(dǎo)電性，創(chuàng)造出復(fù)合性材料。但實(shí)際上，雖然石墨烯被廣泛應(yīng)用于納米復(fù)合材料中，卻很少有嘗試用“高粘彈性”物質(zhì)比如橡皮泥與之混合。來(lái)自愛(ài)爾蘭都柏林三一學(xué)院材料科學(xué)研究中心（AMBER）的研究人員發(fā)現(xiàn)橡皮泥能夠同時(shí)表現(xiàn)出彈性固體和液體的特質(zhì)，而且在結(jié)合石墨烯后，這種特性愈加明顯。于是，研究人員將兩種材料——石墨烯和橡皮泥（SillyPutty）混合，得到了一種優(yōu)質(zhì)導(dǎo)電性的高靈敏傳感器。這項(xiàng)研究是由三一學(xué)院的JonathanColeman教授和曼徹斯特大學(xué)的RobertYoung教授所領(lǐng)導(dǎo)，研究成果已經(jīng)刊登在近期出版的《科學(xué)》雜志上。

Coleman表示：“我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)你將石墨烯和此類極軟聚合物組合在一起的時(shí)候，它們不僅完全勝任應(yīng)變式傳感器的角色，而且與目前我們創(chuàng)建的傳感器相隔幾光年的距離。而且這些特性事實(shí)上和這些柔軟的聚合物密切相關(guān)。令人意外的是，此前在該領(lǐng)域，往往選擇質(zhì)地堅(jiān)硬的聚合物與石墨烯，而結(jié)果得到的復(fù)合物反而更加堅(jiān)硬。”

G-putty

研究團(tuán)隊(duì)，一直致力于研究二維分子如石墨烯和平面納米材料的應(yīng)用前景。該團(tuán)隊(duì)也有進(jìn)行“廚房物理學(xué)”（kitchenphysics）——就是利用生活常用的電器及隨處可得的材料做簡(jiǎn)易科學(xué)實(shí)驗(yàn)。他們常常將普通家居用品應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)中使研究變得更加容易。因此，SillyPutty這種兒童橡皮泥玩具才成為了此次工作的研究對(duì)象?！拔液茉敢庹f(shuō)，這一切都經(jīng)過(guò)了周密的計(jì)劃，但事實(shí)并非如此?！盋oleman教授在接受采訪時(shí)表示，“我們課題組已經(jīng)形成了一個(gè)傳統(tǒng)，很愿意在科學(xué)研究里嘗試那些家用的東西?！?/p>

研究人員將石墨烯納米片（長(zhǎng)200-800nm、個(gè)原子層厚度）分散在水中，然后加入橡皮泥（Silly Putty）。當(dāng)兩種材料混合后，石墨烯薄片粘附在聚合物中變成了一種黑色的粘性物，研究團(tuán)隊(duì)稱之為“G-putty”。在測(cè)試G-putty中，研究人員們向石墨烯和SillyPutty的混合物施加電流時(shí)，他們觀察到這種摻雜了石墨烯的聚合物非常敏感?！叭ビ|碰它或發(fā)生了變形，G-putty電阻都會(huì)發(fā)生顯著的變化?！盋olema解釋到。

只需要將這種材料拉伸或壓縮到它普通大小的1%，其電阻都會(huì)發(fā)生5倍的變化。如果是以同樣的速度來(lái)拉伸或者壓縮其他用于檢測(cè)變形的材料，它們的電阻只會(huì)發(fā)生1%的變化。石墨烯納米片在橡皮泥中會(huì)產(chǎn)生微小的帶電導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)加入的石墨烯達(dá)到總體積的15%時(shí)，導(dǎo)電性約為0.1S/m，并且其粘彈性可以保持很久。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，其靈敏度約為市面上最便宜金屬傳感器的250倍。通常，隨著時(shí)間的推移，電阻隨著SillyPutty自愈而逐漸恢復(fù)到其原始值。

此外，Colema團(tuán)隊(duì)特別地觀察了G-putty對(duì)拉里和壓縮變形的電氣反應(yīng)。試驗(yàn)中，部分電阻改變是在低拉力下會(huì)直線增長(zhǎng)，隨后在高拉力下極速下降，永遠(yuǎn)降到初始值以下，這與隨著拉力的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)的單調(diào)變化完全不同。所以，G-putty也可以用做應(yīng)變感應(yīng)器（strainsensor）使用。我們繪制了電阻與拉力關(guān)系圖，觀察到在低拉力下，電阻增加，隨后明顯下降。

醫(yī)療應(yīng)用

當(dāng)研究人員把一塊G-putty接通電源，放在一位學(xué)生身上，他頸動(dòng)脈的跳動(dòng)能夠清晰地體現(xiàn)在電阻的變化中。事實(shí)上，脈搏跳動(dòng)的情況可以精細(xì)到能夠?qū)⑺D(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)確的血壓讀數(shù)。同時(shí)，如果將傳感器放在學(xué)生的胸部，它也能夠監(jiān)測(cè)他的呼吸情況。為了進(jìn)一步測(cè)試G-putty的靈敏性，研究人員們讓一只蜘蛛走過(guò)材料，然后測(cè)量了它的腳步。意大利博洛尼亞國(guó)家研究委員會(huì)的材料科學(xué)家VincenzoPalermo表示：“它們真正廣泛地印證了G-putty是多么的應(yīng)用廣泛，我認(rèn)為這是一項(xiàng)非常卓越而獨(dú)創(chuàng)的發(fā)明。”另一方面，我們測(cè)試了G-putty作為碰撞傳感器（impact sensor）的表現(xiàn)。我們?cè)诓煌叨热酉虏煌|(zhì)量的球，結(jié)果電阻波形圖顯示，沖擊下快速下降，隨后開(kāi)始持續(xù)性的冪律衰減。

石墨烯是一種由碳原子形成的蜂窩狀平面薄膜，是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)，同時(shí)具有高韌性和優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)電能力。研究人員將石墨烯加入輕度交聯(lián)多晶硅中（SillyPutty），其電機(jī)屬性將被大幅度地改變，所產(chǎn)生的納米復(fù)合材料表現(xiàn)出不同尋常的電機(jī)現(xiàn)象，比如電阻力變形后期的短暫松弛，以及電阻率的非單調(diào)變化。這些現(xiàn)象都與低粘度聚合物集體納米片的流動(dòng)性有關(guān)。Coleman的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，石墨烯薄膜在橡皮泥內(nèi)形成一個(gè)操作網(wǎng)，然后又將材料扭曲變形，將網(wǎng)絡(luò)破壞分離，快速提升電阻力。G-putty的低粘度使得石墨烯碳層再次回到原位置并形成網(wǎng)絡(luò)。研究人員稱：“這是一個(gè)自我修復(fù)的現(xiàn)象?！?/p>

Coleman正在與有興趣的醫(yī)療器械公司商談，將G-putty運(yùn)用于持續(xù)性生理檢測(cè)系統(tǒng)中。比如，血壓測(cè)量通常依靠體積較大的護(hù)腕纏在病人手臂上，并只能提供快照讀書。這樣一個(gè)低價(jià)、小巧無(wú)創(chuàng)的傳感器就能讓病人在家中輕松監(jiān)測(cè)。還有公司比如諾基亞，有興趣將石墨烯傳感器運(yùn)用到保健領(lǐng)域中。

不過(guò)目前，G-putty還需要跨過(guò)一系列的障礙，其中包括證明G-putty能夠進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)，并且在商業(yè)化之前，需要在實(shí)際檢測(cè)中評(píng)估它長(zhǎng)期的表現(xiàn)?！皩?duì)于在實(shí)際的應(yīng)用中，你需要它以同樣的方式工作千百遍?！盤alermo這樣說(shuō)道?，F(xiàn)在，G-putty在實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)確實(shí)遇到了一個(gè)小困難。Boland想要在兩只蜘蛛之間進(jìn)行一個(gè)對(duì)比測(cè)試，可是當(dāng)他返回去看在兩只蜘蛛在無(wú)人看管的條件下，其中較大的蜘蛛已經(jīng)將另一只蜘蛛吃掉了。Coleman說(shuō)他之前并沒(méi)有想到用動(dòng)物進(jìn)行這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)會(huì)遇到這樣的困難。不過(guò)，目前常見(jiàn)的應(yīng)用是添加石墨烯到塑料里以提高導(dǎo)電、機(jī)械、導(dǎo)熱或阻隔性能，所得到的復(fù)合材料的表現(xiàn)如預(yù)期一樣，沒(méi)有太大的驚喜。但是G-putty具有在任何其他復(fù)合材料中都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的這種獨(dú)特的性質(zhì)，這將為傳感器制造開(kāi)辟另一個(gè)全新的領(lǐng)域。

編譯自《科學(xué)》雜志