激光誘導石墨烯可穿戴壓力傳(chuan) 感器

根據賓夕法尼亞(ya) 州立大學領導的國際研究小組的說法，石墨烯是單層六邊形排列的碳原子，具有優(you) 異的柔韌性和高導電性，可以推動柔性電子產(chan) 品的發展。

賓夕法尼亞(ya) 州立大學工程科學與(yu) 力學係 (ESM) 的程煥宇教授 領導了這項合作，該合作最近發表了兩(liang) 項研究，可為(wei) 未來運動檢測、觸覺傳(chuan) 感和健康監測設備的研究和開發提供信息。

研究激光加工如何影響石墨烯的形式和功能

有幾種物質可以通過激光輻射轉化為(wei) 碳來製造石墨烯。稱為(wei) 激光誘導石墨烯 (LIG)，所得產(chan) 品可以具有由原始材料決(jue) 定的特定特性。該團隊測試了這一過程，並發表了他們(men) 的結果（“激光加工參數對通過將 CO 2激光照射在聚酰亞(ya) 胺上對激光誘導石墨烯性能的影響”）。

可穿戴壓力傳(chuan) 感器。

聚酰亞(ya) 胺樣品是一種塑料，通過激光掃描進行照射。研究人員改變了掃描線的功率、掃描速度、通過次數和密度。

“我們(men) 想看看激光加工過程的不同參數如何產(chan) 生不同的納米結構，”程煥宇教授 說。“改變功率使我們(men) 能夠以纖維或泡沫結構製造 LIG。”

研究人員發現，從(cong) 7.2 瓦到大約 9 瓦的較低功率水平會(hui) 導致形成具有許多超細層的多孔泡沫。這種 LIG 泡沫具有導電性和良好的耐熱損傷(shang) 性——這兩(liang) 種特性都可用於(yu) 電子設備的組件。

將功率從(cong) 大約 9 瓦增加到 12.6 瓦，LIG 的形成模式從(cong) 泡沫變為(wei) 小纖維束。這些束的直徑隨著激光功率的增加而變大，而更高的功率促進了光纖網絡的網狀增長。纖維結構顯示出比泡沫更好的導電性。據 程煥宇教授 稱，這種增強的性能與(yu) 纖維的形式相結合，可以為(wei) 傳(chuan) 感設備開辟可能性。

“總的來說，這是一個(ge) 我們(men) 可以用來構建其他組件的導電框架，”程煥宇教授 說。“隻要纖維具有導電性，我們(men) 就可以將其用作支架，並對表麵進行大量後續修改，以啟用許多傳(chuan) 感器，例如皮膚上的葡萄糖傳(chuan) 感器或傷(shang) 口感染檢測器。”

改變以不同功率形成的 LIG 的激光掃描速度、密度和通道也會(hui) 影響導電性和後續性能。更多的激光照射導致更高的導電性，但最終由於(yu) 燃燒產(chan) 生的過度碳化而下降。

演示低成本 LIG 傳(chuan) 感器

以之前的研究為(wei) 基礎，程煥宇教授 和團隊著手設計、製造和測試靈活的 LIG 壓力傳(chuan) 感器。

“壓力傳(chuan) 感器非常重要，”程說。“我們(men) 不僅(jin) 可以在家庭和製造業(ye) 中使用它們(men) ，還可以在皮膚表麵使用它們(men) 來測量來自人體(ti) 的許多信號，比如脈搏。它們(men) 還可用於(yu) 人機界麵，以提高假肢的性能或監控其附著點。”

該團隊測試了兩(liang) 種設計。首先，他們(men) 在兩(liang) 個(ge) 含有銅電極的聚酰亞(ya) 胺層之間夾入了一層薄薄的 LIG 泡沫層。當施加壓力時，LIG 發電。泡沫中的空隙減少了電流傳(chuan) 輸路徑的數量，從(cong) 而更容易定位壓力源，並且似乎提高了對微妙觸摸的敏感性。

第一個(ge) 設計，當附著在手背或手指上時，可以檢測彎曲和伸展的手部運動——以及心跳的特征性敲擊、潮汐和舒張波。據 程煥宇教授 稱，這種脈搏讀數可以與(yu) 心電圖讀數結合，從(cong) 而在沒有袖帶的情況下進行血壓測量。

在第二種設計中，研究人員將納米粒子加入 LIG 泡沫中。這些微小的二硫化鉬球體(ti) （一種可以充當導體(ti) 和絕緣體(ti) 的半導體(ti) ）增強了泡沫的敏感性和對物理力的抵抗力。這種設計還可以適應重複使用，在近 10,000 次使用前後表現出幾乎相同的性能。

程煥宇教授 表示，這兩(liang) 種設計都具有成本效益，並且可以進行簡單的數據采集。

研究人員計劃繼續探索這些設計，作為(wei) 用於(yu) 健康監測的獨立設備或與(yu) 其他現有設備配合使用。