石墨烯：為智能織物注入新活力！

導讀

近日，英國埃克塞特大學領導的國際科研團隊率先開發出一種用於製造完全電子化的纖維的新技術，這種石墨烯纖維可以融入到日常服裝生產中去。

背景

石墨烯，是一種性能卓越的特殊二維材料，享有「新材料之王」的美譽。單層碳原子組成的蜂窩狀結構，賦予了石墨烯「卓越」的性能。石墨烯的厚度僅為人類髮絲直徑的百萬分之一，而強度卻勝過鋼鐵百倍，導電性能優於銅，這些特性都非常適合電子器件。此外，石墨烯還具有很好的柔性。研究表明，經拉伸後，石墨烯的長度可變為原始長度的120%。

（圖片來源：曼徹斯特大學）

由於良好的電子特性、光學透明性以及與生俱來的柔性，石墨烯有望應用於一些列的柔性電子產品，例如：

能列印到織物中的石墨烯柔性超級電容（圖片來源：曼徹斯特大學）

可檢測並治療糖尿病的石墨烯腕帶(圖片來源：Hui Won Yun, 首爾大學)

由石墨烯材料製成的柔性NFC天線（圖片來源: Graphene Flagship）

未來，石墨烯電子設備將帶來全新的智能可穿戴設備以及物聯網應用。

（圖片來源：Graphene Flagship）

這些產品的例子有：經過彎曲佩戴在手腕上的智能手機、像報紙一樣捲起來的計算機、隨時響應環境變化的智能衣服等。

（圖片來源：曼徹斯特大學）

（圖片來源：曼徹斯特大學）

（圖片來源：曼徹斯特大學）

創新

同樣，在近來比較熱門前沿科技領域：「智能織物」中，石墨烯這一「神奇材料」也勢必會起到非常重要的作用，創造出更低成本、更持久耐用、更容易量產的智能織物產品。

近日，英國埃克塞特大學（University of Exeter）工程系教授 Monica Craciun 領導的國際科研團隊率先開發出一種用於製造完全電子化的纖維的新技術，這種纖維可以融入到日常服裝生產中去。

（圖片來源：Craciun 教授實驗室）

這個國際合作研究團隊包含來自英國埃克塞特大學、葡萄牙阿威羅大學和里斯本大學、比利時紡織研究中心（CenTexBel ）的專家們，相關論文發表在科學期刊《柔性電子（Flexible Electronics）》上。

2015年，包括來自埃克塞特大學的Craciun 教授、Russo 教授、Ana Neves 博士在內的國際科學家團隊曾率先開發出一項新技術，將透明、柔性的石墨烯電極嵌入到紡織工業you常用的纖維中。

技術

目前，可穿戴電子設備基本上是通過將電子器件膠合到織物上來實現的，這意味著它們非常僵硬而且容易出現故障。

新研究取代了傳統方法，將電子器件集成到面料中去，通過將輕量、耐用的元件塗在電子化的纖維上，這些元件將在織物上直接展示圖像。

這項研究採用現有的聚丙烯纖維（它通常用於紡織工業中的許多商業應用）來粘貼基於石墨烯的新型電子纖維，從而創造出觸摸感測器和發光設備。

位於織物纖維上的石墨烯基設備。聚丙烯織物纖維圖片；通過兼容卷對卷製造技術 a與傳統光刻和腐蝕工藝 b的光刻工藝一步一步製造觸摸感應設備的原理圖。彎曲的觸摸感測器的掃描電子顯微鏡圖像展示在d 中，綠色高亮的石墨烯電極之間存在空隙。發光設備的原理圖與圖像展示在 c與e中。觸摸感測器的圖像展示在 f 中。

（圖片來源：參考資料【2】）

觸摸感測器：a 採用卷對卷工藝 (R2R)製造的具有單層石墨烯(SLG)、幾層石墨烯（FLG）、以及採用液體剝離刀切與兼容R2R的方法所獲取的經溶液處理的石墨烯（LEG）薄膜的感測器照片。採用標準圖刻的LEG感測器也展示在其中。b有觸摸和無觸摸的情況下，阻抗響應示意圖。c觸摸情況下，平面FLG器件的阻抗隨時間產生的變化。d反覆觸摸情況下，平面FLG器件阻抗隨時間產生的變化。e反覆彎曲情況下，平面FLG器件的阻抗隨時間產生的變化。f用兼容R2R的方法與反應離子刻蝕（RIE）技術為LEG刻畫圖案的觸摸感測器之間的性能差異。g 位置敏感陣列的照片與原理圖。h 位置敏感陣列隨著觸摸與時間變化而產生的電壓降。i在觸摸情況下，位置敏感陣列「時間分辨」的升落次數。c、d、e、f、h中的不同開/關間隔，取決於用戶手指觸摸設備的力度與持續時間。

（圖片來源：參考資料【2】）

位於織物纖維上的 ACEL 器件：a ACEL發光強度與偏壓之間的關係，遵從Alfrey–Taylor關聯，ACEL 亮度 (L) 與 電壓 (V)的關係為: L?=?L₀ exp(?b/V)^1/2, 其中 L₀ 與 b 為經驗常數，具有良好的一致性(R²?=?0.9982)。在彎曲b與扭曲c情況下的設備圖片。發光情況隨著 d彎曲半徑與相關的纖維應變而變化；e反覆彎曲的循環次數；f 反覆扭曲的循環次數；兩種方法中，ACEL陣列以及在明暗條件下的照片：g 大像素（比例尺：左5毫米；右20毫米）和h 小像素（比例尺：頂10毫米；底1毫米）

（圖片來源：參考資料【2】）

價值

研究團隊相信，這一發現將徹底變革可穿戴電子設備的製造。這些可穿戴電子設備不但適合一系列日常應用，還可用於健康監測（例如心率、血壓）以及醫療診斷。

研究的共同作者 Craciun 教授表示：「對於實現真正的可穿戴電子器件來說，能將元件融合到材料中，而不是簡單地添加到其中，顯得至關重要。」

石墨烯公司 Graphenea 的研究科學家、埃克塞特大學 Craciun 教授團隊的前博士生 Elias Torres Alonso 博士補充道：「這項新研究為不久的將來智能織物在許多領域中扮演關鍵作用打開了大門。通過將石墨烯纖維編織到織物中，我們創造出一種全新技術，將電子器件完全集成到織物中。從現在起，唯一限制我們的就是我們自己的想像力。」

這項新技術意味著織物能含有真正的可穿戴顯示器，而無需額外材料，例如電極、電線。

埃克塞特大學物理系教授、論文合著者 Saverio Russo 表示：「在織物中融合電子器件，是科學家們許多年來一直在嘗試的，也是現代技術中一項真正改變遊戲規則的進展。」

來自埃克塞特大學工程系的論文合著者 Ana Neves 博士補充道：「這項新技術的關鍵是，織物纖維是柔性、舒適和輕量的，同時足夠耐用，能滿足現代生活的需求。」

關鍵字

智能織物、柔性電子、可穿戴技術、感測器、石墨烯

參考資料

【1】http://www.exeter.ac.uk/news/featurednews/title_695317_en.html

【2】Elias Torres Alonso, Daniela P. Rodrigues, Mukond Khetani, Dong-Wook Shin, Adolfo De Sanctis, Hugo Joulie, Isabel de Schrijver, Anna Baldycheva, Helena Alves, Ana I. S. Neves, Saverio Russo, Monica F. Craciun. Graphene electronic fibres with touch-sensing and light-emitting functionalities for smart textiles. npj Flexible Electronics, 2018; 2 (1) DOI: 10.1038/s41528-018-0040-2

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