愛(ài)爾蘭科學(xué)家研發(fā)基于石墨烯的3D打印高性能傳感器

來(lái)自都柏林圣三一大學(xué)物理學(xué)院SFI先進(jìn)材料和生物工程研究中心AMBER的研究人員已經(jīng)使用其創(chuàng)新的G-Putty材料開發(fā)了下一代基于石墨烯的傳感技術(shù)。

高性能應(yīng)變傳感器通常由壓阻材料制成，其變形會(huì)改變電阻。這種傳感器對(duì)于許多應(yīng)用都很重要，尤其是能夠監(jiān)測(cè)脈搏和呼吸等生命體征的柔軟可穿戴傳感器。近年來(lái)，納米復(fù)合材，通常由嵌入聚合物基體中的一維或二維納米材料組成，已被證明是通用材料，并已用于多種終端應(yīng)用中，例如氣體、化學(xué)、熱量和生物學(xué)感應(yīng)。除此之外，對(duì)聚合物納米復(fù)合材料作為應(yīng)變傳感器也進(jìn)行了大量研究。雖然通常使用壓縮成型、注塑成型、擠出和熱成型等方法加工聚合物，聚合物納米復(fù)合材料通常通過(guò)溶液制備共混熔融混合/復(fù)合原位聚合和復(fù)合材料自組裝。但通過(guò)印刷形成的納米復(fù)合材料不太常見。

根據(jù)基質(zhì)的不同，納米復(fù)合材料可以非常柔軟，因此可以貼在皮膚上。它們還具有高工作應(yīng)變范圍，使其成為可穿戴傳感等新興領(lǐng)域的理想選擇。然而，納米復(fù)合應(yīng)變傳感器具有許多明顯的缺點(diǎn)。尤其是，它們的粘彈性可能會(huì)引起電阻滯后，而與所考慮的應(yīng)變無(wú)關(guān)，并且使應(yīng)變系數(shù)與速率密切相關(guān)。對(duì)于要求電阻和應(yīng)變之間具有唯一關(guān)系的應(yīng)變傳感器來(lái)說(shuō)，這是個(gè)重大問(wèn)題。G-putty就是一個(gè)很好的例子，它的極度柔軟會(huì)在拉緊時(shí)導(dǎo)致嚴(yán)重的粘塑性松弛。這意味著，即使G-putty具有極高的規(guī)格系數(shù)，也無(wú)法將其用于制造實(shí)際的應(yīng)變傳感器。此外，有證據(jù)表明，由G-putty顯示的高規(guī)格因子與它的低粘度具有內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)一步使事情復(fù)雜化。

需要一種制造和處理納米復(fù)合感測(cè)材料的方法，其導(dǎo)致高規(guī)格系數(shù)和電導(dǎo)率，但是其磁滯和速率依賴性已得到抑制。在這里，來(lái)自都柏林圣三一大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種配制基于G-putty的油墨的方法，該油墨可以印刷到彈性基材上直接圖案化的薄膜上。重要的是，印刷導(dǎo)致相分離，導(dǎo)致具有高導(dǎo)電性的富含石墨烯的表面區(qū)域。這進(jìn)而允許制造非常薄的薄膜，該薄膜顯示的電阻足夠低，可以測(cè)量壓阻效應(yīng)。這很重要，因?yàn)檫@樣的薄膜以顯著降低磁滯和速率依賴性的方式被機(jī)械固定在基板-薄膜界面上。研究人員已將此類薄膜制成高性能傳感器，可用于多種應(yīng)用，例如生物醫(yī)學(xué)傳感器或作為速度和功率監(jiān)視器安裝在自行車上。

▲圖1. 印刷G-putty在生物醫(yī)學(xué)傳感中的應(yīng)用。(a–d)a, b, 絲網(wǎng)印刷在c, d, EcoFlex PDMS膜上并安裝在手腕上用于脈搏測(cè)量的G型光頭條的照片。 (e). 印刷在商用創(chuàng)可貼上的G-putty帶狀絲網(wǎng)，以及 (f) 安裝在手腕上用于脈搏測(cè)量的絲網(wǎng)。(g, h) 在 (g) EcoFlex膠片上印刷的g-putty帶狀絲網(wǎng)，以及 (h) 安裝在對(duì)象的亞當(dāng)斯蘋果上以監(jiān)測(cè)吞咽情況。N.B. 面板 (c) , (d) , (f) 和 (h) 中的初始電阻互不相同，這是因?yàn)樵趥鞲衅靼惭b過(guò)程中施加了不同程度的預(yù)應(yīng)力。

研究人員相信這些特性使印刷的G-putty成為真正的機(jī)電傳感器的理想選擇。尤其是，PDMS支撐件的低模量使得傳感器非常柔軟且易于佩戴-使這些傳感器成為生物醫(yī)學(xué)傳感應(yīng)用的潛在候選者，其范圍從測(cè)量呼吸速率、脈搏和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。

應(yīng)變傳感器通常以波狀圖案制造，以在空間上定位響應(yīng)的同時(shí)最大化傳感器長(zhǎng)度(以增加電阻變化)。圖2a，b中顯示的是分別通過(guò)絲網(wǎng)印刷和氣溶膠噴射印刷在超薄PDMS基板上的此類傳感器的示例。我們注意到，氣溶膠噴射印刷可以提供更好的功能，而絲網(wǎng)印刷可以提供更大的可擴(kuò)展性。另外，圖2c，d示出了三個(gè)傳感器的印刷組合，每個(gè)傳感器彼此成120°。這種結(jié)構(gòu)被稱為玫瑰花結(jié)，可用于測(cè)量應(yīng)變場(chǎng)。為了演示其在小應(yīng)變傳感中的實(shí)用性，我們選擇了一種新穎的應(yīng)用：自行車應(yīng)變傳感。

▲圖2. 圖案化的G-putty在應(yīng)變傳感中的應(yīng)用。(a–d)包括a, b, 單線規(guī)由 (a) 絲網(wǎng)印刷和 (b) 氣溶膠噴射印刷以及c，d, 蓮座叢(即三重規(guī))組成的印刷應(yīng)變傳感器的示例，由c絲網(wǎng)印刷印刷和d氣溶膠噴射印刷。(e–g) 照片，顯示e傳感器安裝在自行車車架中的位置，f 特寫鏡頭，顯示單個(gè)規(guī)格(絲網(wǎng)印刷)和g玫瑰花形(氣溶膠噴射)傳感器。

該研究團(tuán)隊(duì)以前用橡膠帶和傻膩?zhàn)又邪l(fā)現(xiàn)的聚合物創(chuàng)建了石墨烯的納米復(fù)合材料?，F(xiàn)在，他們已將具有高延展性的石墨烯摻合的傻膩?zhàn)覩-putty轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂谐錾珯C(jī)械和電性能的油墨共混物。該油墨的優(yōu)勢(shì)在于，可以使用工業(yè)印刷方法將它們轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髟O(shè)備，從絲網(wǎng)印刷到氣溶膠和機(jī)械沉積。這個(gè)非常低成本的系統(tǒng)的另一個(gè)好處是，可以在制造過(guò)程中控制各種不同的參數(shù)，這能夠針對(duì)需要檢測(cè)微小應(yīng)變的特定應(yīng)用調(diào)整材料的靈敏度。

全球醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)的當(dāng)前市場(chǎng)趨勢(shì)表明，這項(xiàng)研究完全處于向個(gè)性化，可調(diào)節(jié)，可穿戴的傳感器轉(zhuǎn)移的方向，這些傳感器可以輕松地集成到衣服中或穿在皮膚上。2020年，可穿戴醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)的價(jià)值為160億美元，尤其是在遠(yuǎn)程病人監(jiān)護(hù)設(shè)備方面，其可觀的增長(zhǎng)將令人矚目，人們對(duì)健身和生活方式監(jiān)測(cè)的關(guān)注也將日益增加。該團(tuán)隊(duì)雄心勃勃地將科學(xué)工作轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。這些傳感器的發(fā)展代表了可穿戴診斷設(shè)備領(lǐng)域的一大進(jìn)步，可診斷設(shè)備可以按定制樣式印刷并可以舒適地安裝在患者的皮膚上，以監(jiān)測(cè)各種不同的生物過(guò)程。

該研究團(tuán)隊(duì)目前正在探索監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)呼吸和脈搏、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和步態(tài)以及妊娠早期分娩的應(yīng)用程序。由于他們的傳感器兼具高靈敏度、穩(wěn)定性和寬廣的感應(yīng)范圍，并能夠?qū)⒍ㄖ频膱D案打印到柔性上，可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合定制傳感器。用于生產(chǎn)這些設(shè)備的方法成本低且易于擴(kuò)展，這是生產(chǎn)可廣泛使用的診斷設(shè)備的基本標(biāo)準(zhǔn)。