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香港城市大學(xué)葉汝全教授、密蘇里大學(xué)閆政教授《Nano Lett.》：超靈敏、快速響應(yīng)、定向氣流傳感的仿生石墨烯纖維
2023-01-14  來源：高分子科技


  近年來新一代可穿戴式電子器件經(jīng)歷了爆發(fā)期的發(fā)展，其中用來監(jiān)測呼吸的氣流傳感器也是一種診斷源。除了可穿戴電子設(shè)備，氣流傳感器也在氣流傳感器在常規(guī)礦山工作、航空航天工業(yè)、天氣預(yù)報(bào)和新興生物醫(yī)學(xué)工程中也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。當(dāng)前氣流傳感器的工作機(jī)理主要依靠熱敏（熱線、熱膜），光學(xué)和壓敏等方式。然而熱敏氣流傳感器耗能，響應(yīng)時(shí)間長。光學(xué)氣流傳感器需要精密且昂貴的儀器來獲取光學(xué)信息，這在許多應(yīng)用場景中是無法實(shí)現(xiàn)的。相比之下，壓阻式氣流傳感器在制備可行的、成本低且易于收集信號方面表現(xiàn)出很強(qiáng)的優(yōu)勢。目前，由于金屬和固體半導(dǎo)體材料的固有性質(zhì)，大多數(shù)氣流傳感器既笨重又易脆。此外，它們的靈敏度、響應(yīng)速度、檢測范圍和可擴(kuò)展性對于具有不規(guī)則表面的可穿戴電子產(chǎn)品的使用并不十分理想。


  為了解決上述問題，香港城市大學(xué)理學(xué)院葉汝全教授團(tuán)隊(duì)和美國密蘇里大學(xué)的閆政教授團(tuán)隊(duì)在受自然界生物形貌的啟發(fā)下, 利用激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）技術(shù)制備仿生石墨烯及設(shè)計(jì)出三種具有不同形貌的LIG氣流傳感，即棉花狀的多孔LIG（PLIG）, 毛毛蟲絨毛狀的垂直LIG纖維（VLIGF）和鱗翅目鱗片狀的懸浮LIG纖維（SLIGF）（見圖1）。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同會(huì)導(dǎo)致在應(yīng)力刺激下LIG不同的形變行為（見圖3）。在這三種LIG中，SLIGF的形變具有同向延伸的堆積特征，因此SLIGF是最有利于氣流的傳感。SLIGF可以實(shí)現(xiàn)最短的平均反應(yīng)時(shí)間0.5s，最高的靈敏度0.11 s/m，以及最低0.0023m/s的探測極限（見圖2），這個(gè)檢測的性能足以媲美甚至優(yōu)于最新的氣流傳感器性能（見圖4）。SLIGF的應(yīng)用可以被擴(kuò)展至天氣預(yù)報(bào)，識別莫爾斯電碼，監(jiān)測呼吸，針對全身癱瘓的失語癥交流等（見圖5）。相關(guān)研究成果以標(biāo)題為“Ultrasensitive, Fast-Responsive, Directional Airflow Sensing by Bioinspired Suspended Graphene Fibers”發(fā)表在國際知名期刊《Nano Letters》上(IF=12.262), 文章第一作者是香港城市大學(xué)博士生黃麗蓓。該研究得到了深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目，國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)家基金，國家海洋污染重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究基金等項(xiàng)目的支持。 


圖1. 三種LIG的形貌。（a）棉花（b）毛毛蟲（c）蝴蝶的數(shù)碼照片。(d) PLIG （e）VLIGF (f) SLIGF的SEM圖片（俯視圖）（g）PLIG放大SEM圖 （h）VLIGF的SEM側(cè)視圖 （i）SLIGF的放大SEM圖片。


圖2. PLIG,VLIGF, SLIGF的氣體傳感性能測試。（a）氣體流速為1.4m/s時(shí)，PLIG, VLIGF, SLIGF的開關(guān)性能。（b）（a）圖的放大區(qū)域。（c）響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間的對比。（d）在0.0023-2.35 m/s 流速中的相對電流變化。（e）基于三種LIG氣體傳感器的靈敏度。 


圖3. PLIG,VLIGF, SLIGF的氣體傳感的工作機(jī)理。(a) PLIG, (b) VLIGF, 和 (c) SLIGF。 


圖4. SLIGF的氣流傳感性能表征.（a-c）激光參數(shù)行間距對SLIGF氣體傳感的影響。（d）氣流方向示意圖。（e）SLIGF-150在不同氣流角度下的開關(guān)特性。（f）SLIGF-150在不同溫度下的相對電流變化。（g）SLIGF-150在不同曲率半徑的相對電流變化。（h）SLIGF-150在1.4 m/s的氣流速度下的循環(huán)性能。（i）SLIGF與其它文獻(xiàn)的傳感性能對比。 


圖5. SLIGF傳感器的應(yīng)用。（a）在天氣預(yù)報(bào)中對風(fēng)向和風(fēng)速的識別。（b）識別和轉(zhuǎn)譯摩斯密碼 ‘‘LIG”。（c）對于特定呼吸相關(guān)疾病的監(jiān)測診斷。（d）睡眠者或者全身癱瘓者示意圖。（e）全身癱瘓者的交流。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c04228


  課題組鏈接：Home | Ruquan Ye lab | CityU HK (yeruquan.wixsite.com)

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（責(zé)任編輯：xu）
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