爱尔兰科学家研发基于石墨烯的3D打印高性能传感器

来自都柏林圣三一大学物理学院SFI先进材料和生物工程研究中心AMBER的研究人员已经使用其创新的G-Putty材料开发了下一代基于石墨烯的传感技术。

高性能应变传感器通常由压阻材料制成，其变形会改变电阻。这种传感器对于许多应用都很重要，尤其是能够监测脉搏和呼吸等生命体征的柔软可穿戴传感器。近年来，纳米复合材，通常由嵌入聚合物基体中的一维或二维纳米材料组成，已被证明是通用材料，并已用于多种终端应用中，例如气体、化学、热量和生物学感应。除此之外，对聚合物纳米复合材料作为应变传感器也进行了大量研究。虽然通常使用压缩成型、注塑成型、挤出和热成型等方法加工聚合物，聚合物纳米复合材料通常通过溶液制备共混熔融混合/复合原位聚合和复合材料自组装。但通过印刷形成的纳米复合材料不太常见。

根据基质的不同，纳米复合材料可以非常柔软，因此可以贴在皮肤上。它们还具有高工作应变范围，使其成为可穿戴传感等新兴领域的理想选择。然而，纳米复合应变传感器具有许多明显的缺点。尤其是，它们的粘弹性可能会引起电阻滞后，而与所考虑的应变无关，并且使应变系数与速率密切相关。对于要求电阻和应变之间具有唯一关系的应变传感器来说，这是个重大问题。G-putty就是一个很好的例子，它的极度柔软会在拉紧时导致严重的粘塑性松弛。这意味着，即使G-putty具有极高的规格系数，也无法将其用于制造实际的应变传感器。此外，有证据表明，由G-putty显示的高规格因子与它的低粘度具有内在联系，进一步使事情复杂化。

需要一种制造和处理纳米复合感测材料的方法，其导致高规格系数和电导率，但是其磁滞和速率依赖性已得到抑制。在这里，来自都柏林圣三一大学的研究人员开发了一种配制基于G-putty的油墨的方法，该油墨可以印刷到弹性基材上直接图案化的薄膜上。重要的是，印刷导致相分离，导致具有高导电性的富含石墨烯的表面区域。这进而允许制造非常薄的薄膜，该薄膜显示的电阻足够低，可以测量压阻效应。这很重要，因为这样的薄膜以显着降低磁滞和速率依赖性的方式被机械固定在基板-薄膜界面上。研究人员已将此类薄膜制成高性能传感器，可用于多种应用，例如生物医学传感器或作为速度和功率监视器安装在自行车上。

▲图1. 印刷G-putty在生物医学传感中的应用。(a–d)a, b, 丝网印刷在c, d, EcoFlex PDMS膜上并安装在手腕上用于脉搏测量的G型光头条的照片。 (e). 印刷在商用创可贴上的G-putty带状丝网，以及 (f) 安装在手腕上用于脉搏测量的丝网。(g, h) 在 (g) EcoFlex胶片上印刷的g-putty带状丝网，以及 (h) 安装在对象的亚当斯苹果上以监测吞咽情况。N.B. 面板 (c) , (d) , (f) 和 (h) 中的初始电阻互不相同，这是因为在传感器安装过程中施加了不同程度的预应力。

研究人员相信这些特性使印刷的G-putty成为真正的机电传感器的理想选择。尤其是，PDMS支撑件的低模量使得传感器非常柔软且易于佩戴-使这些传感器成为生物医学传感应用的潜在候选者，其范围从测量呼吸速率、脉搏和关节运动。

应变传感器通常以波状图案制造，以在空间上定位响应的同时最大化传感器长度(以增加电阻变化)。图2a，b中显示的是分别通过丝网印刷和气溶胶喷射印刷在超薄PDMS基板上的此类传感器的示例。我们注意到，气溶胶喷射印刷可以提供更好的功能，而丝网印刷可以提供更大的可扩展性。另外，图2c，d示出了三个传感器的印刷组合，每个传感器彼此成120°。这种结构被称为玫瑰花结，可用于测量应变场。为了演示其在小应变传感中的实用性，我们选择了一种新颖的应用：自行车应变传感。

▲图2. 图案化的G-putty在应变传感中的应用。(a–d)包括a, b, 单线规由 (a) 丝网印刷和 (b) 气溶胶喷射印刷以及c，d, 莲座丛(即三重规)组成的印刷应变传感器的示例，由c丝网印刷印刷和d气溶胶喷射印刷。(e–g) 照片，显示e传感器安装在自行车车架中的位置，f 特写镜头，显示单个规格(丝网印刷)和g玫瑰花形(气溶胶喷射)传感器。

该研究团队以前用橡胶带和傻腻子中发现的聚合物创建了石墨烯的纳米复合材料。现在，他们已将具有高延展性的石墨烯掺合的傻腻子G-putty转变为具有出色机械和电性能的油墨共混物。该油墨的优势在于，可以使用工业印刷方法将它们转变为工作设备，从丝网印刷到气溶胶和机械沉积。这个非常低成本的系统的另一个好处是，可以在制造过程中控制各种不同的参数，这能够针对需要检测微小应变的特定应用调整材料的灵敏度。

全球医疗设备市场的当前市场趋势表明，这项研究完全处于向个性化，可调节，可穿戴的传感器转移的方向，这些传感器可以轻松地集成到衣服中或穿在皮肤上。2020年，可穿戴医疗设备市场的价值为160亿美元，尤其是在远程病人监护设备方面，其可观的增长将令人瞩目，人们对健身和生活方式监测的关注也将日益增加。该团队雄心勃勃地将科学工作转化为产品。这些传感器的发展代表了可穿戴诊断设备领域的一大进步，可诊断设备可以按定制样式印刷并可以舒适地安装在患者的皮肤上，以监测各种不同的生物过程。

该研究团队目前正在探索监测实时呼吸和脉搏、关节运动和步态以及妊娠早期分娩的应用程序。由于他们的传感器兼具高灵敏度、稳定性和宽广的感应范围，并能够将定制的图案打印到柔性上，可以根据应用场合定制传感器。用于生产这些设备的方法成本低且易于扩展，这是生产可广泛使用的诊断设备的基本标准。