橡皮泥里掺进石墨烯变身超灵敏压力传感器 G-putty

2014年,Coleman的研究团队用“石墨烯+橡皮筋”制备出了运动传感器,可穿戴&灵敏度高,随随便便发了篇ACS Nano[1]。



“石墨烯+橡皮筋”传感器。图片来源:ACS Nano

2015年,Coleman的研究团队又利用厨房用搅拌机实现了二维材料的大批量生产,制备石墨烯也能像做“奶昔”一样easy,这次收获了一篇Nature Mater.和一篇Chem. Mater.[2]。

液相剥离石墨烯。图片来源:Nature Materials


液相剥离MoS2。图片来源:Chemistry of Materials

2016年,Coleman的研究团队又搞出了新花样,用石墨烯加入到橡皮泥里制备出了超级灵敏的传感器,成果发表到了Science。


图片来源:Science

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。”


视频来源:Science

自从2004年石墨烯首次被分离出来,研究者对它的关注度逐年升高,并制备出了各种基于石墨烯的复合材料,应用于电学、力学等各个领域当中。然而,尝试将其与“粘弹性”材料相结合的文章并不多见,基于石墨烯-聚合物复合材料的粘弹效应尚有许多值得探索之处。因此,Coleman课题组将石墨烯纳米片(长200-800 nm、厚度约20个原子层)和轻度交联的聚硅树脂(俗称橡皮泥,silly putty)混合,得到一种敏感度很高的电力学传感材料——G-putty,可以用来检测变形和冲击等过程。


Coleman教授和他的儿子Oisín手里拿着G-putty(貌似小朋友更帅一点?)。图片来源:AMBER/Trinity College Dublin

Coleman等人对G-putty的形貌特征、流变性质和电机械性质进行了表征。随后,他们将材料应用于传感器中,用来检测人体的指关节动作、呼吸甚至脉搏跳动。G-putty材料的电阻对极其轻微的变形或冲击非常敏感,灵敏系数可达500以上。要知道,目前市场上常见的同类金属基传感器,灵敏系数仅在2左右,而这已经足以进行应付一些日常应用了。不够形象?没关系,这里还有个例子,G-putty材料甚至可以清楚地记录一只20毫克重蜘蛛所爬过的每一步。这里还有个小故事,本来准备做两只蜘蛛的对比实验,结果出去转了一圈回来一看,大蜘蛛已经把小蜘蛛给吃了,于是只剩下一只蜘蛛~~


G-putty的基本表征。图片来源:Science


G-putty的传感器性能表征。图片来源:Science

随文章一起发表的还有多达76页的“Supplementary Materials”,研究者对材料的性能做了非常非常详实的论证,尤其是传感性能和计算推导,小希在这里默默地佩服一下。

“我很愿意说,这一切都经过了周密的计划,但事实却非如此。”Coleman教授在接受采访时笑着说,“我们课题组已经形成了一个传统,很乐意在科学研究里尝试那些家用的东东。”

尽管在成功商业化之前还需要解决一些问题,诸如材料的大规模生产和真实环境中的长期性能测试等,但基于G-putty的传感器廉价、小巧、无创、使用方便,在医疗器械、可穿戴装备等领域有着非常光明的应用前景。

原文 http://science.sciencemag.org/content/354/6317/1257
Sensitive electromechanical sensors using viscoelastic graphene-polymer nanocomposites
Science, 2016, 354, 1257-1260, DOI: 10.1126/science.aag2879

参考文献:
1. ACS Nano, 2014, 8, 8819–8830, DOI: 10.1021/nn503454h
2. Nature Mater., 2014, 13, 624-630, DOI: 10.1038/nmat3944
Chem. Mater., 2015, 27, 1129-1139, DOI: 10.1021/cm5044864

部分内容编译自Nature News:
http://www.nature.com/news/graphene-spiked-silly-putty-picks-up-human-pulse-1.21133

参考 https://www.scientificamerican.com/article/graphene-spiked-silly-putty-picks-up-human-pulse/

此文改自 http://www.x-mol.com/news/4425

参考 http://tech.163.com/16/1231/11/C9K3P53700097U81.html