石墨烯橡皮泥感測器

文/JonathanN.Coleman編譯/李雨蒙

自從2004年，石墨烯被分離出後，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，創造出複合性材料。但實際上，雖然石墨烯被廣泛應用於納米複合材料中，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）的研究人員發現橡皮泥能夠同時表現出彈性固體和液體的特質，而且在結合石墨烯後，這種特性愈加明顯。於是，研究人員將兩種材料——石墨烯和橡皮泥（SillyPutty）混合，得到了一種優質導電性的高靈敏感測器。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》雜誌上。

Coleman表示：「我們發現，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感測器的角色，而且與目前我們創建的感測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，而結果得到的複合物反而更加堅硬。」

G-putty

研究團隊，一直致力於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。「我很願意說，這一切都經過了周密的計劃，但事實並非如此。」Coleman教授在接受採訪時表示，「我們課題組已經形成了一個傳統，很願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，然後加入橡皮泥（Silly Putty）。當兩種材料混合後，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。「去觸碰它或發生了變形，G-putty電阻都會發生顯著的變化。」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於檢測變形的材料，它們的電阻只會發生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路，當加入的石墨烯達到總體積的15%時，導電性約為0.1S/m，並且其粘彈性可以保持很久。實驗數據顯示，其靈敏度約為市面上最便宜金屬感測器的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，隨後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。我們繪製了電阻與拉力關係圖，觀察到在低拉力下，電阻增加，隨後明顯下降。

醫療應用

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為準確的血壓讀數。同時，如果將感測器放在學生的胸部，它也能夠監測他的呼吸情況。為了進一步測試G-putty的靈敏性，研究人員們讓一隻蜘蛛走過材料，然後測量了它的腳步。義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是多麼的應用廣泛，我認為這是一項非常卓越而獨創的發明。」另一方面，我們測試了G-putty作為碰撞感測器（impact sensor）的表現。我們在不同高度扔下不同質量的球，結果電阻波形圖顯示，衝擊下快速下降，隨後開始持續性的冪律衰減。

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質的導電能力。研究人員將石墨烯加入輕度交聯多晶硅中（SillyPutty），其電機屬性將被大幅度地改變，所產生的納米複合材料表現出不同尋常的電機現象，比如電阻力變形後期的短暫鬆弛，以及電阻率的非單調變化。這些現象都與低粘度聚合物集體納米片的流動性有關。Coleman的研究團隊發現，石墨烯薄膜在橡皮泥內形成一個操作網，然後又將材料扭曲變形，將網路破壞分離，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並形成網路。研究人員稱：「這是一個自我修復的現象。」

Coleman正在與有興趣的醫療器械公司商談，將G-putty運用於持續性生理檢測系統中。比如，血壓測量通常依靠體積較大的護腕纏在病人手臂上，並只能提供快照讀書。這樣一個低價、小巧無創的感測器就能讓病人在家中輕鬆監測。還有公司比如諾基亞，有興趣將石墨烯感測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能夠進行大規模量產，並且在商業化之前，需要在實際檢測中評估它長期的表現。「對於在實際的應用中，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想要在兩隻蜘蛛之間進行一個對比測試，可是當他返回去看在兩隻蜘蛛在無人看管的條件下，其中較大的蜘蛛已經將另一隻蜘蛛吃掉了。Coleman說他之前並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，所得到的複合材料的表現如預期一樣，沒有太大的驚喜。但是G-putty具有在任何其他複合材料中都沒有發現的這種獨特的性質，這將為感測器製造開闢另一個全新的領域。

編譯自《科學》雜誌

（責任編輯：宋埃米 HT004）