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香港城市大學葉汝全教授、密蘇里大學閆政教授《Nano Lett.》：超靈敏、快速響應、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歷了爆發期的發展，其中用來監測呼吸的氣流傳感器也是一種診斷源。除了可穿戴電子設備，氣流傳感器也在氣流傳感器在常規礦山工作、航空航天工業、天氣預報和新興生物醫學工程中也發揮著關鍵作用。當前氣流傳感器的工作機理主要依靠熱敏（熱線、熱膜），光學和壓敏等方式。然而熱敏氣流傳感器耗能，響應時間長。光學氣流傳感器需要精密且昂貴的儀器來獲取光學信息，這在許多應用場景中是無法實現的。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出很強的優勢。目前，由于金屬和固體半導體材料的固有性質，大多數氣流傳感器既笨重又易脆。此外，它們的靈敏度、響應速度、檢測范圍和可擴展性對于具有不規則表面的可穿戴電子產品的使用并不十分理想。

為了解決上述問題，香港城市大學理學院葉汝全教授團隊和美國密蘇里大學的閆政教授團隊在受自然界生物形貌的啟發下, 利用激光誘導石墨烯（LIG）技術制備仿生石墨烯及設計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）。結構設計的不同會導致在應力刺激下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可以實現最短的平均反應時間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），這個檢測的性能足以媲美甚至優于最新的氣流傳感器性能（見圖4）。SLIGF的應用可以被擴展至天氣預報，識別莫爾斯電碼，監測呼吸，針對全身癱瘓的失語癥交流等（見圖5）。相關研究成果以標題為“Ultrasensitive, Fast-Responsive, Directional Airflow Sensing by Bioinspired Suspended Graphene Fibers”發表在國際知名期刊《Nano Letters》上(IF=12.262), 文章第一作者是香港城市大學博士生黃麗蓓。該研究得到了深圳市科技計劃項目，國家自然科學基金青年科學家基金，國家海洋污染重點實驗室研究基金等項目的支持。

圖1. 三種LIG的形貌。（a）棉花（b）毛毛蟲（c）蝴蝶的數碼照片。(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，PLIG, VLIGF, SLIGF的開關性能。（b）（a）圖的放大區域。（c）響應和恢復時間的對比。（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性能。（i）SLIGF與其它文獻的傳感性能對比。

圖5. SLIGF傳感器的應用。（a）在天氣預報中對風向和風速的識別。（b）識別和轉譯摩斯密碼 ‘‘LIG”。（c）對于特定呼吸相關疾病的監測診斷。（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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（責任編輯：xu）

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