用于可穿戴健康设备的激光石墨烯

宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系的 Dorothy Quiggle 职业发展教授程寰宇正在领导用激光制造的柔性石墨烯设备的研究，例如这里展示的可穿戴压力传感器。

图片来源：程寰宇

宾夕法尼亚州立大学领导的一个国际研究小组称，石墨烯是单层六边形排列的碳原子，具有优异的柔韧性和高导电性，可以推动柔性电子产品的发展。宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学学院(ESM) Dorothy Quiggle职业发展教授程寰宇领导了这项合作，该合作最近发表了两项研究，可能为未来的运动检测、触觉传感和健康监测设备的研发提供信息。

研究激光加工如何影响石墨烯的形态和功能

有几种物质可以通过激光辐射转化为碳来生成石墨烯。这种被称为激光诱导石墨烯(LIG)的产物可以具有由原始材料决定的特定性能。该团队测试了这一过程，并将他们的结果发表在SCIENCE CHINA Technological Sciences 上。

对聚酰亚胺(塑料的一种)样品进行激光扫描。研究人员改变了扫描功率、扫描速度、通道数量和扫描线密度。

“我们想看看激光加工过程的不同参数如何产生不同的纳米结构，”程寰宇说，“改变功率使我们能够以纤维或泡沫结构制造 LIG。”

研究人员发现，从 7.2 瓦到大约 9 瓦的较低功率水平会导致形成具有许多超细层的多孔泡沫。这种 LIG 泡沫具有导电性和良好的耐热性——两种特性在电子设备的组件中都很有用。

将功率从大约9瓦增加到12.6瓦，LIG 的形成模式从泡沫变为小纤维束。这些束的直径随着激光功率的增加而变大，而更高的功率促进了纤维网络的网状增长。纤维结构显示出比泡沫更好的导电性。程寰宇表示，这种增强的性能与纤维的形式相结合，可以为传感设备开辟可能性。

“总的来说，这是一个我们可以用来构建其他组件的导电框架，”程寰宇说，“只要纤维具有导电性，我们就可以将其用作支架，并对表面进行大量后续修改，以启用许多传感器，例如皮肤上的葡萄糖传感器或伤口感染检测器。”

不同功率下激光扫描速度、密度和通道对LIG的电导率和后续性能也有影响。更多的激光照射导致更高的电导率，但最终由于燃烧产生的过度碳化而下降。

演示一种低成本 LIG 传感器 

以之前的研究为基础，程寰宇和他的团队开始设计、制造和测试一个柔性LIG压力传感器。

“压力传感器非常重要，”程说。“我们不仅可以在家庭和制造业中使用它们，还可以在皮肤表面测量来自人体的许多信号，比如脉搏。它们还可以用于人机界面，以提高假肢的性能或监测其附着点。”

该团队测试了两种设计。首先，他们在两个含有铜电极的聚酰亚胺层之间夹入了一层薄薄的 LIG 泡沫层。当施加压力时，LIG 发电。泡沫中的空隙减少了电流传输路径的数量，从而更容易定位压力源，并且似乎提高了对轻微触摸的敏感性。

第一个设计，当附着在手背或手指上时，可以检测弯曲和伸展的手部运动——以及心跳的特征性敲击、潮汐和舒张波。据称，这种脉搏读数可以与心电图读数结合，从而在没有袖套的情况下进行血压测量。

在第二种设计中，研究人员将纳米粒子加入 LIG 泡沫中。这些微小的二硫化钼球体（一种可以充当导体和绝缘体的半导体）增强了泡沫的敏感性和对物理力的抵抗力。这种设计还可以适应重复使用，在近 10,000 次使用前后表现出几乎相同的性能。

程表示，这两种设计都具有成本效益，并且可以进行简单的数据采集。

研究人员计划继续探索这些设计，作为用于健康监测的独立设备或与其他现有设备配合使用。

中国国家自然科学基金、美国国家科学基金会和美国化学会石油研究基金支持了第一篇论文的工作，美国国家科学基金会和美国国立卫生研究院支持了第二篇论文的工作。

◾相关论文信息：

1. Effects of laser processing parameters on properties of laser-induced graphene by irradiating CO2 laser on polyimide

https://doi.org/10.1007/s11431-021-1918-8

2. Highly Sensitive Piezoresistive Pressure Sensors Based on Laser-Induced Graphene with Molybdenum Disulfide Nanoparticles 

https://doi.org/10.1007/s11431-021-1899-9

信息来源 | news.psu.edu

编译 | Carbontech