石墨烯+橡皮泥=优质导电性的高灵敏传感器

寂静回声

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。