激光誘導石墨烯可穿戴壓力傳感器

根據賓夕法尼亞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，具有優異的柔韌性和高導電性，可以推動柔性電子產品的發展。

賓夕法尼亞州立大學工程科學與力學系 (ESM) 的程煥宇教授 領導了這項合作，該合作最近發表了兩項研究，可為未來運動檢測、觸覺傳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碳來制造石墨烯。稱為激光誘導石墨烯 (LIG)，所得產品可以具有由原始材料決定的特定特性。該團隊測試了這一過程，并發表了他們的結果（“激光加工參數對通過將 CO 2激光照射在聚酰亞胺上對激光誘導石墨烯性能的影響”）。

可穿戴壓力傳感器。

聚酰亞胺樣品是一種塑料，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。

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

研究人員發現，從 7.2 瓦到大約 9 瓦的較低功率水平會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性——這兩種特性都可用于電子設備的組件。

將功率從大約 9 瓦增加到 12.6 瓦，LIG 的形成模式從泡沫變為小纖維束。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，這種增強的性能與纖維的形式相結合，可以為傳感設備開辟可能性。

“總的來說，這是一個我們可以用來構建其他組件的導電框架，”程煥宇教授 說。“只要纖維具有導電性，我們就可以將其用作支架，并對表面進行大量后續修改，以啟用許多傳感器，例如皮膚上的葡萄糖傳感器或傷口感染檢測器。”

改變以不同功率形成的 LIG 的激光掃描速度、密度和通道也會影響導電性和后續性能。更多的激光照射導致更高的導電性，但最終由于燃燒產生的過度碳化而下降。

演示低成本 LIG 傳感器

以之前的研究為基礎，程煥宇教授 和團隊著手設計、制造和測試靈活的 LIG 壓力傳感器。

“壓力傳感器非常重要，”程說。“我們不僅可以在家庭和制造業中使用它們，還可以在皮膚表面使用它們來測量來自人體的許多信號，比如脈搏。它們還可用于人機界面，以提高假肢的性能或監控其附著點。”

該團隊測試了兩種設計。首先，他們在兩個含有銅電極的聚酰亞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輸路徑的數量，從而更容易定位壓力源，并且似乎提高了對微妙觸摸的敏感性。

第一個設計，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心電圖讀數結合，從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（一種可以充當導體和絕緣體的半導體）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復使用，在近 10,000 次使用前后表現出幾乎相同的性能。

程煥宇教授 表示，這兩種設計都具有成本效益，并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，作為用于健康監測的獨立設備或與其他現有設備配合使用。