香港城市大学叶汝全教授、密苏里大学闫政教授《Nano Lett.》：超灵敏、快速响应、定向气流传感的仿生石墨烯纤维

2023-01-14 来源：高分子科技

近年来新一代可穿戴式电子器件经历了爆发期的发展，其中用来监测呼吸的气流传感器也是一种诊断源。除了可穿戴电子设备，气流传感器也在气流传感器在常规矿山工作、航空航天工业、天气预报和新兴生物医学工程中也发挥着关键作用。当前气流传感器的工作机理主要依靠热敏（热线、热膜），光学和压敏等方式。然而热敏气流传感器耗能，响应时间长。光学气流传感器需要精密且昂贵的仪器来获取光学信息，这在许多应用场景中是无法实现的。相比之下，压阻式气流传感器在制备可行的、成本低且易于收集信号方面表现出很强的优势。目前，由于金属和固体半导体材料的固有性质，大多数气流传感器既笨重又易脆。此外，它们的灵敏度、响应速度、检测范围和可扩展性对于具有不规则表面的可穿戴电子产品的使用并不十分理想。

为了解决上述问题，香港城市大学理学院叶汝全教授团队和美国密苏里大学的闫政教授团队在受自然界生物形貌的启发下, 利用激光诱导石墨烯（LIG）技术制备仿生石墨烯及设计出三种具有不同形貌的LIG气流传感，即棉花状的多孔LIG（PLIG）, 毛毛虫绒毛状的垂直LIG纤维（VLIGF）和鳞翅目鳞片状的悬浮LIG纤维（SLIGF）（见图1）。结构设计的不同会导致在应力刺激下LIG不同的形变行为（见图3）。在这三种LIG中，SLIGF的形变具有同向延伸的堆积特征，因此SLIGF是最有利于气流的传感。SLIGF可以实现最短的平均反应时间0.5s，最高的灵敏度0.11 s/m，以及最低0.0023m/s的探测极限（见图2），这个检测的性能足以媲美甚至优于最新的气流传感器性能（见图4）。SLIGF的应用可以被扩展至天气预报，识别莫尔斯电码，监测呼吸，针对全身瘫痪的失语症交流等（见图5）。相关研究成果以标题为“Ultrasensitive, Fast-Responsive, Directional Airflow Sensing by Bioinspired Suspended Graphene Fibers”发表在国际知名期刊《Nano Letters》上(IF=12.262), 文章第一作者是香港城市大学博士生黄丽蓓。该研究得到了深圳市科技计划项目，国家自然科学基金青年科学家基金，国家海洋污染重点实验室研究基金等项目的支持。

图1. 三种LIG的形貌。（a）棉花（b）毛毛虫（c）蝴蝶的数码照片。(d) PLIG （e）VLIGF (f) SLIGF的SEM图片（俯视图）（g）PLIG放大SEM图（h）VLIGF的SEM侧视图（i）SLIGF的放大SEM图片。

图2. PLIG,VLIGF, SLIGF的气体传感性能测试。（a）气体流速为1.4m/s时，PLIG, VLIGF, SLIGF的开关性能。（b）（a）图的放大区域。（c）响应和恢复时间的对比。（d）在0.0023-2.35 m/s 流速中的相对电流变化。（e）基于三种LIG气体传感器的灵敏度。

图3. PLIG,VLIGF, SLIGF的气体传感的工作机理。(a) PLIG, (b) VLIGF, 和 (c) SLIGF。

图4. SLIGF的气流传感性能表征.（a-c）激光参数行间距对SLIGF气体传感的影响。（d）气流方向示意图。（e）SLIGF-150在不同气流角度下的开关特性。（f）SLIGF-150在不同温度下的相对电流变化。（g）SLIGF-150在不同曲率半径的相对电流变化。（h）SLIGF-150在1.4 m/s的气流速度下的循环性能。（i）SLIGF与其它文献的传感性能对比。

图5. SLIGF传感器的应用。（a）在天气预报中对风向和风速的识别。（b）识别和转译摩斯密码 ‘‘LIG”。（c）对于特定呼吸相关疾病的监测诊断。（d）睡眠者或者全身瘫痪者示意图。（e）全身瘫痪者的交流。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c04228

课题组链接：Home | Ruquan Ye lab | CityU HK (yeruquan.wixsite.com)

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻