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，科學家就開始在不同材料中加入這些碳原子，獲得其中的高韌性和導電性，創(chuàng)造出復合性材料。但實際上，雖然石墨烯被廣泛應用于納米復合材料中，卻很少有嘗試用“高粘彈性”物質比如橡皮泥與之混合。來自愛爾蘭都柏林三一學院材料科學研究中心（AMBER）的研究人員發(fā)現(xiàn)橡皮泥能夠同時表現(xiàn)出彈性固體和液體的特質，而且在結合石墨烯后，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)質導電性的高靈敏傳感器。這項研究是由三一學院的JonathanColeman教授和曼徹斯特大學的RobertYoung教授所領導，研究成果已經刊登在近期出版的《科學》雜志上。

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

G-putty

研究團隊，一直致力于研究二維分子如石墨烯和平面納米材料的應用前景。該團隊也有進行“廚房物理學”（kitchenphysics）——就是利用生活常用的電器及隨處可得的材料做簡易科學實驗。他們常常將普通家居用品應用在實驗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象。“我很愿意說，這一切都經過了周密的計劃，但事實并非如此。”Coleman教授在接受采訪時表示，“我們課題組已經形成了一個傳統(tǒng)，很愿意在科學研究里嘗試那些家用的東西。”

研究人員將石墨烯納米片（長200-800nm、個原子層厚度）分散在水中，然后加入橡皮泥（Silly Putty）。當兩種材料混合后，石墨烯薄片粘附在聚合物中變成了一種黑色的粘性物，研究團隊稱之為“G-putty”。在測試G-putty中，研究人員們向石墨烯和SillyPutty的混合物施加電流時，他們觀察到這種摻雜了石墨烯的聚合物非常敏感。“去觸碰它或發(fā)生了變形，G-putty電阻都會發(fā)生顯著的變化。”Colema解釋到。

只需要將這種材料拉伸或壓縮到它普通大小的1%，其電阻都會發(fā)生5倍的變化。如果是以同樣的速度來拉伸或者壓縮其他用于檢測變形的材料，它們的電阻只會發(fā)生1%的變化。石墨烯納米片在橡皮泥中會產生微小的帶電導體網(wǎng)絡，當加入的石墨烯達到總體積的15%時，導電性約為0.1S/m，并且其粘彈性可以保持很久。實驗數(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，隨著時間的推移，電阻隨著SillyPutty自愈而逐漸恢復到其原始值。

此外，Colema團隊特別地觀察了G-putty對拉里和壓縮變形的電氣反應。試驗中，部分電阻改變是在低拉力下會直線增長，隨后在高拉力下極速下降，永遠降到初始值以下，這與隨著拉力的增長而增長的單調變化完全不同。所以，G-putty也可以用做應變感應器（strainsensor）使用。我們繪制了電阻與拉力關系圖，觀察到在低拉力下，電阻增加，隨后明顯下降。

醫(yī)療應用

當研究人員把一塊G-putty接通電源，放在一位學生身上，他頸動脈的跳動能夠清晰地體現(xiàn)在電阻的變化中。事實上，脈搏跳動的情況可以精細到能夠將它轉變?yōu)闇蚀_的血壓讀數(shù)。同時，如果將傳感器放在學生的胸部，它也能夠監(jiān)測他的呼吸情況。為了進一步測試G-putty的靈敏性，研究人員們讓一只蜘蛛走過材料，然后測量了它的腳步。意大利博洛尼亞國家研究委員會的材料科學家VincenzoPalermo表示：“它們真正廣泛地印證了G-putty是多么的應用廣泛，我認為這是一項非常卓越而獨創(chuàng)的發(fā)明。”另一方面，我們測試了G-putty作為碰撞傳感器（impact sensor）的表現(xiàn)。我們在不同高度扔下不同質量的球，結果電阻波形圖顯示，沖擊下快速下降，隨后開始持續(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，是人類已知強度最高的物質，同時具有高韌性和優(yōu)質的導電能力。研究人員將石墨烯加入輕度交聯(lián)多晶硅中（SillyPutty），其電機屬性將被大幅度地改變，所產生的納米復合材料表現(xiàn)出不同尋常的電機現(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變化。這些現(xiàn)象都與低粘度聚合物集體納米片的流動性有關。Coleman的研究團隊發(fā)現(xiàn)，石墨烯薄膜在橡皮泥內形成一個操作網(wǎng)，然后又將材料扭曲變形，將網(wǎng)絡破壞分離，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。研究人員稱：“這是一個自我修復的現(xiàn)象。”

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

不過目前，G-putty還需要跨過一系列的障礙，其中包括證明G-putty能夠進行大規(guī)模量產，并且在商業(yè)化之前，需要在實際檢測中評估它長期的表現(xiàn)。“對于在實際的應用中，你需要它以同樣的方式工作千百遍。”Palermo這樣說道。現(xiàn)在，G-putty在實驗室中的實驗確實遇到了一個小困難。Boland想要在兩只蜘蛛之間進行一個對比測試，可是當他返回去看在兩只蜘蛛在無人看管的條件下，其中較大的蜘蛛已經將另一只蜘蛛吃掉了。Coleman說他之前并沒有想到用動物進行這項實驗會遇到這樣的困難。不過，目前常見的應用是添加石墨烯到塑料里以提高導電、機械、導熱或阻隔性能，所得到的復合材料的表現(xiàn)如預期一樣，沒有太大的驚喜。但是G-putty具有在任何其他復合材料中都沒有發(fā)現(xiàn)的這種獨特的性質，這將為傳感器制造開辟另一個全新的領域。

編譯自《科學》雜志