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橡皮泥里掺进石墨烯变身超灵敏压力传感器

2016-12-31 11:39:55 来源: 《科学美国人》中文版《环球科学》(北京)
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(原标题:橡皮泥里掺进石墨烯,就得到了超级灵敏的压力传感器)

用石墨烯和橡皮泥制成的传感器,可以24小时实时监测血压。

只需加入少许石墨烯,就可以把橡皮泥变为压力传感器。这种传感器异常灵敏,不但可以监测人体脉搏,甚至还能探查到一只小蜘蛛的脚步。

这种石墨烯橡皮泥被称作“G-putty”,研发者希望基于它开发持续监测血压的设备。此外G-putty还表现出了自我修复的能力,预示着它可能成为更智能的石墨烯复合材料。

自2004年首次分离出石墨烯,研究人员就尝试将这些碳原子薄层添加到各种材料中,希望创造出能从石墨烯的高强度和极佳导电性中受益的复合材料。但令人惊讶的是,几乎还没有人尝试将石墨烯与橡皮泥这样的黏弹性(viscoelastic)材料混合。橡皮泥同时表现出弹性固体和液体的特征,比如将一块橡皮泥放在一个洞上,它会慢慢地渗漏过去。

在都柏林三一学院(Trinity College Dublin)Jonathan Coleman纳米技术实验室工作的研究员Conor Boland表示,他好奇将石墨烯和橡皮泥混合后会发生什么。“我很希望说,该想法是仔细构思得来的,但并不是,” Coleman笑着说,“因为我们正好有这么个传统——将家用器具用于科学研究中。”(他的团队在2014年发现,用厨房中的搅拌器快速搅拌石墨,可以获得石墨烯。)

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【图注】Jonathan Coleman和他的儿子正在摆弄G-putty。图片来源:都柏林三一学院

研究人员将大约20层原子厚, 800纳米长的石墨烯薄片与自制的橡皮泥(一种有机硅聚合物)混合,得到能导电的深灰色G-putty。这种材料关键的一个特点是,即使研究人员仅施加微弱的压力,它的电阻也会发生极大变化。这种橡皮泥比其他纳米复合材料传感器至少敏感10倍。

研究人员将一块G-putty连上导线,放在一个学生的颈部,通过电阻变化就能清楚地测出他的颈动脉脉搏。事实上,脉冲轮廓非常精细,可被转换为精确的血压读数。该传感器也可以放在学生的胸部,监测呼吸。另外,有点匪夷所思的是,它还能记录下一只体重仅有20毫克的蜘蛛落下的每一个脚步。

“他们充分证明了这种材料的多功能性,” 意大利国立研究委员会的材料科学家Vincenzo Palermo说,“我认为这是个了不起的工作,非常新颖。”这项研究发表在了《科学》上。

Coleman的研究团队发现,石墨烯薄片在橡皮泥中形成了导电网络,橡皮泥变形会破坏该网络,导致电阻迅速增加。接着,由于G-putty黏度较低,石墨烯薄片可以移回原位置,并重组网络。“这是一种自愈现象。” Coleman解释道。

Coleman已经在与有兴趣用G-putty进行持续生理监测的医疗器械公司商谈。例如,病人通常需要戴上笨重的护腕测量血压,并只能得到一个瞬时读数。但G-putty这样价廉而小巧的非侵入式传感器,能让病人在家里轻轻松松监测血压。

Sanna Arpiainen是研究石墨烯的资深科学家,在赫尔辛基(Helsinki)附近的一个大型合同研究组织VTT工作,她说一些公司,比如诺基亚(Nokia)对石墨烯传感器的健康应用很感兴趣。但她警告道,在将G-putty商业化之前,还需克服一系列障碍——包括证明它可以大规模批量生产,以及通过测试来评估其长期性能。Palermo对此表示赞同:“对于实际应用,你需要它以相同方式运行成千上万次。”

在进行G-putty实验时,研究人员遇到了一个意想不到的阻碍。Boland本想在两只蜘蛛之间进行比较测试,但他发现稍不注意,那只稍大些的蜘蛛已经将它的小伙伴吞入腹中了。”他没有预料到和动物一起工作会遇到这种困难。” Coleman说。

王真 本文来源:《科学美国人》中文版《环球科学》 责任编辑:王真_NT5228
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