石墨烯膜可制成可穿戴应变传感器,实时监控你的健康!
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近日，香港科技大学金章教 (Jang-Kyo Kim) 课题组与合作者们在英国皇家化学会纳米科学类旗舰期刊 Nanoscale Horizons 上发表论文，详细叙述了由切割泡沫石墨烯膜制成的可穿戴应变传感器方面的工作，并成功利用智能手机实现多方面的人体活动监测。
Sliced graphene foam films for dual-functional wearable strain sensors and switches
Qingbin Zheng, Xu Liu, Hongru Xu, Ming-Shu Cheung, Yuk-Wa Choi, Hsing-Chih Huang, Ho-Yin Lei, Xi Shen, Zhenyu Wang, Ying Wu, Soo Young Kim and Jang-Kyo Kim*
Nanoscale Horiz., 2018, Advance Article
DOI: 10.1039/C7NH00147A
研究背景
可穿戴电子设备在人体运动感知、人机交互界面、个性化健康监测、电子皮肤、柔性机器人等领域有着巨大的应用潜力。其中，可穿戴的应变传感器 / 开关 (strain sensors/switches) 具有足够的机械柔性，能够以适合的形状很好地贴合到弯曲表面上，并且能对形变产生良好的信号响应。
▲ 多种可穿戴设备原型
虽然以半导体和金属箔为基础的传统压电式应变传感器在成本上有一定优势，但大多因灵敏度低或检测范围窄而无法用作可穿戴应变传感器。鉴于此，人们陆续使用过金属纳米线、纳米颗粒、硅纳米带、炭黑、碳纳米管、石墨烯等材料，与弹性高分子结合在一起，期望开发出高延展性、高灵敏度的设备。其中，石墨烯因为优异的导电性、独特的光学性能以及高度的柔性而成为应变传感器的理想材料。
▲ 石墨烯的结构
在外加应力应变的作用下，石墨烯中的六边形原子排布会发生部分错位，其电子能带和电阻也会随之改变。不过，原始石墨烯 (pristine graphene) 的灵敏度和延展性都相对较低。人们使用过多种手段来调节石墨烯的交联网络，比如纳米石墨烯、石墨烯织造纤维、石墨烯 / 高分子复合材料以及泡沫石墨烯 (graphene foam, GF) 来增强其灵敏度和延展性。然而，除了泡沫石墨烯外，其它这几种石墨烯结构既在性能上或多或少有所不足，也难以在标准的制造流程中与电子设备较好地整合。
▲ 泡沫石墨烯的宏观外貌与微观结构
三维结构的泡沫石墨烯 (3D GF) 有着独特的交联网络，在机械性能和电气性能方面表现优异。不过，泡沫石墨烯材料作为应变传感器的灵敏度较差。为了解决这一问题，人们使用过将 GF 装载在 PET（聚对苯二甲酸乙二酯）基板上的方法，也尝试过用碎片化的泡沫石墨烯 (FGFs) 与 PDMS（聚二甲基硅氧烷）组成复合材料；不过，前者难以克服 PET 延展性差的问题，后者则有 FGFs 尺度难以精确控制的麻烦。因此，如何通过简便易行的手段制造出高灵敏度、延展性好的泡沫石墨烯复合材料，成为了开发应变传感器的关键所在。
研究成果
本文报道了一种便捷的制备方法，可以方便地得到具有高度延展性的泡沫石墨烯 / PDMS 复合材料（如下图所示）。通过控制 GF（泡沫石墨烯）层的厚度，就可以轻松地实现灵敏度和开关特性的调控。
▲ GF/PDMS 复合材料与器件的制造流程
将镍模板刻蚀去除后，得到的 3D 泡沫石墨烯进行真空浸渗，得到 GF/PDMS 复合材料。将其装载在 PDMS 底板上后，通过切割的方法即可得到覆盖在 PDMS 底板上的一层泡沫石墨烯膜，这层膜的厚度是可以在切割时进行控制的应变传感器的灵敏度是通过“应变因子” (gauge factor) 这一指标衡量的。在应变达到 10% 时，这种 GF/PDMS 复合材料的应变因子达到了 24，延展性则可达到 70%。另外，当这种材料感受到的应变超过某一阈值时，其电阻会大幅升高甚至不再导电，从而实现开关的功能，并且这种开关的过程是高度可逆的，其优异的开关特性可以经历至少千次循环。
▲ 不同厚度的 GF/PDMS 复合材料的压阻性能表征
为了实现这种材料和器件的最终应用，科研人员将其连接在电子设备上，通过无线传输的方式将数据传送到安卓智能手机上。科研人员还专门开发了一套界面友好的安卓应用软件。
▲ 制成可穿戴设备并与智能手机相连
下面的动图展示了这一装置在人体生理活动的实时监测与信号处理等领域的应用。
▲ 呼吸监测与报警功能
▲ 记步功能
▲ 再也不怕开会睡着了
▲ 非常重要的跌倒报警功能
综上所述，这一新技术在医学诊断、健康监测、病患护理等方面有着广阔的应用潜力。
资料来源：RSCpublishing，烯碳资讯编辑整理，转载请注明出处。
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