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石墨烯+橡皮泥=优质导电性的高灵敏传感器

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发表于 2017-1-10 21:19:57 | 显示全部楼层 |阅读模式
自从2004年,石墨烯被分离出后,科学家就开始在不同材料中加入这些碳原子,获得其中的高韧性和导电性,创造出复合性材料。但实际上,虽然石墨烯被广泛应用于纳米复合材料中,却很少有尝试用“高粘弹性”物质比如橡皮泥与之混合。来自爱尔兰都柏林三一学院材料科学研究中心(AMBER)的研究人员发现橡皮泥能够同时表现出弹性固体和液体的特质,而且在结合石墨烯后,这种特性愈加明显。于是,研究人员将两种材料——石墨烯和橡皮泥(SillyPutty)混合,得到了一种优质导电性的高灵敏传感器。这项研究是由三一学院的JonathanColeman教授和曼彻斯特大学的RobertYoung教授所领导,研究成果已经刊登在近期出版的《科学》杂志上。
Coleman表示:“我们发现,当你将石墨烯和此类极软聚合物组合在一起的时候,它们不仅完全胜任应变式传感器的角色,而且与目前我们创建的传感器相隔几光年的距离。而且这些特性事实上和这些柔软的聚合物密切相关。令人意外的是,此前在该领域,往往选择质地坚硬的聚合物与石墨烯,而结果得到的复合物反而更加坚硬。”
G-putty
研究团队,一直致力于研究二维分子如石墨烯和平面纳米材料的应用前景。该团队也有进行“厨房物理学”(kitchenphysics)——就是利用生活常用的电器及随处可得的材料做简易科学实验。他们常常将普通家居用品应用在实验中使研究变得更加容易。因此,SillyPutty这种儿童橡皮泥玩具才成为了此次工作的研究对象。“我很愿意说,这一切都经过了周密的计划,但事实并非如此。”Coleman教授在接受采访时表示,“我们课题组已经形成了一个传统,很愿意在科学研究里尝试那些家用的东西。”
研究人员将石墨烯纳米片(长200-800nm、个原子层厚度)分散在水中,然后加入橡皮泥(Silly Putty)。当两种材料混合后,石墨烯薄片粘附在聚合物中变成了一种黑色的粘性物,研究团队称之为“G-putty”。在测试G-putty中,研究人员们向石墨烯和SillyPutty的混合物施加电流时,他们观察到这种掺杂了石墨烯的聚合物非常敏感。“去触碰它或发生了变形,G-putty电阻都会发生显著的变化。”Colema解释到。
只需要将这种材料拉伸或压缩到它普通大小的1%,其电阻都会发生5倍的变化。如果是以同样的速度来拉伸或者压缩其他用于检测变形的材料,它们的电阻只会发生1%的变化。石墨烯纳米片在橡皮泥中会产生微小的带电导体网络,当加入的石墨烯达到总体积的15%时,导电性约为0.1S/m,并且其粘弹性可以保持很久。实验数据显示,其灵敏度约为市面上最便宜金属传感器的250倍。通常,随着时间的推移,电阻随着SillyPutty自愈而逐渐恢复到其原始值。
此外,Colema团队特别地观察了G-putty对拉里和压缩变形的电气反应。试验中,部分电阻改变是在低拉力下会直线增长,随后在高拉力下极速下降,永远降到初始值以下,这与随着拉力的增长而增长的单调变化完全不同。所以,G-putty也可以用做应变感应器(strainsensor)使用。我们绘制了电阻与拉力关系图,观察到在低拉力下,电阻增加,随后明显下降。
医疗应用
当研究人员把一块G-putty接通电源,放在一位学生身上,他颈动脉的跳动能够清晰地体现在电阻的变化中。事实上,脉搏跳动的情况可以精细到能够将它转变为准确的血压读数。同时,如果将传感器放在学生的胸部,它也能够监测他的呼吸情况。为了进一步测试G-putty的灵敏性,研究人员们让一只蜘蛛走过材料,然后测量了它的脚步。意大利博洛尼亚国家研究委员会的材料科学家VincenzoPalermo表示:“它们真正广泛地印证了G-putty是多么的应用广泛,我认为这是一项非常卓越而独创的发明。”另一方面,我们测试了G-putty作为碰撞传感器(impact sensor)的表现。我们在不同高度扔下不同质量的球,结果电阻波形图显示,冲击下快速下降,随后开始持续性的幂律衰减。
石墨烯是一种由碳原子形成的蜂窝状平面薄膜,是人类已知强度最高的物质,同时具有高韧性和优质的导电能力。研究人员将石墨烯加入轻度交联多晶硅中(SillyPutty),其电机属性将被大幅度地改变,所产生的纳米复合材料表现出不同寻常的电机现象,比如电阻力变形后期的短暂松弛,以及电阻率的非单调变化。这些现象都与低粘度聚合物集体纳米片的流动性有关。Coleman的研究团队发现,石墨烯薄膜在橡皮泥内形成一个操作网,然后又将材料扭曲变形,将网络破坏分离,快速提升电阻力。G-putty的低粘度使得石墨烯碳层再次回到原位置并形成网络。研究人员称:“这是一个自我修复的现象。”
Coleman正在与有兴趣的医疗器械公司商谈,将G-putty运用于持续性生理检测系统中。比如,血压测量通常依靠体积较大的护腕缠在病人手臂上,并只能提供快照读书。这样一个低价、小巧无创的传感器就能让病人在家中轻松监测。还有公司比如诺基亚,有兴趣将石墨烯传感器运用到保健领域中。
不过目前,G-putty还需要跨过一系列的障碍,其中包括证明G-putty能够进行大规模量产,并且在商业化之前,需要在实际检测中评估它长期的表现。“对于在实际的应用中,你需要它以同样的方式工作千百遍。”Palermo这样说道。现在,G-putty在实验室中的实验确实遇到了一个小困难。Boland想要在两只蜘蛛之间进行一个对比测试,可是当他返回去看在两只蜘蛛在无人看管的条件下,其中较大的蜘蛛已经将另一只蜘蛛吃掉了。Coleman说他之前并没有想到用动物进行这项实验会遇到这样的困难。不过,目前常见的应用是添加石墨烯到塑料里以提高导电、机械、导热或阻隔性能,所得到的复合材料的表现如预期一样,没有太大的惊喜。但是G-putty具有在任何其他复合材料中都没有发现的这种独特的性质,这将为传感器制造开辟另一个全新的领域。
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