用黏土「玩」出超靈敏石墨烯感測器

研究人員在混合黏土與石墨烯奈米薄片後，意外擦出打造超高靈敏度應變感測器的火花……

愛爾蘭都柏林大學聖三一學院(Trinity College Dublin)學生Conor Boland及其指導教授Jonathan Coleman經常在該校先進材料與生物工程研究(AMBER)實驗室嘗試各種新材料，就在一次隨手混合黏彈性化合物與石墨烯的意外中，開啟了打造超高靈敏感測器的新機會。

都柏林大學聖三一學院教授Jonathan Coleman說：「這個想法來自於在實驗室中隨意地動手玩創意，我的學生Conor Boland認為如果將石墨烯混合製造兒童玩具黏土(Silly Putty)的網狀結構(x-linked)聚合物應該會很有趣。結果確實如此！它形成了一種非常柔軟的矩陣，而且具有相當有趣的特性。這也我們開啟了一項為期30個月的超高靈敏感測器研究計劃。」

這項研究報告主題是「使用黏彈性的『石墨烯-聚合物』奈米複合材料實現靈敏的機電感測器」(Sensitive electromechanical sensors using viscoelastic graphene-polymer nanocomposites)，發表在《科學》(Science)期刊中，文中詳細介紹混合石墨烯奈米薄片至具有高度黏彈性的聚矽氧烷基體(即一般市售的Silly Putty品牌兒童玩具黏土)後，如何產生不尋常的機電特性，以及如何用於製造超高靈敏度的應變感測器。

都柏林大學聖三一學院學生Conor Boland及其指導教授Jonathan Coleman在混合黏彈性化合物(黏土)與石墨烯時意外發現打造超靈敏感測器的可能性（來源：AMBER, Trinity College Dublin）

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研究人員展示其自行製造與命名的‘G-putty’，這是一種質地均勻且等向的石墨烯奈米薄片結構，可在低黏性網狀結構聚合物中形成，不僅大幅增加了化合物的電導率(在15vol%時達到大約0.1 S/m的電導率)，同時仍能維持高遷移率與相容性。

石墨烯奈米片的這種高遷移率意味著：在G-putty上施加較小的拉伸應力後，可觀察到電阻急劇提高，其後則隨石墨烯奈米片緩慢放鬆而逐漸衰減。因此，研究人員得以開發定量模型，準確地描述電阻變形後的暫時鬆弛，以及電阻率隨應力發生的非單調變化。

「研究人員在其論文中寫道，「這種網路鬆弛可以被視為是一種自我修復的過程。奈米複合材料的這種遷移率在室溫下是前所未見的。然而，它也代表著一種可塑性，意味著變形並不是完全可逆的。」

透過監測其電阻，G-putty可作為極其靈敏的機電感測器，具有超過500的計量係數，能夠測量脈搏和血壓(當按壓頸動脈時)或作為碰撞感測器使用。在碰撞G-putty薄片時，可透過電阻波形顯示衝擊力道的快速躍升，隨後則是降冪衰減。這種感測器的靈敏度甚至可高到用於辨識剛好在實驗室中閒逛的小蜘蛛所走過的每一步。

(A)呼吸；(B)脈搏；圖(B)中的插圖顯示蜘蛛的單一週期脈衝波形，指示具特徵性的脈衝切跡；(C)與蜘蛛(地窖蜘蛛、底部插圖)走過約2nm厚G-putty薄片有關的部份電阻變化。(頂部插圖)放大響應顯示走過的每一步（來源：AMBER, Trinity College Dublin）

都柏林大學教授Jonathan Coleman手持石墨烯黏土，而他的兒子Oisin則好奇地玩著Silly Putty兒童玩具黏土（來源：AMBER, Trinity College Dublin）

Coleman表示，「在實際的裝置中，這種黏土必須安裝在某種具有適當封裝的腕帶上，這應該很容易實現。」

他並補充說：「由於複合材料的黏彈特性，其動態靈敏度將取決於頻率。這種感測器特別適用於動態感測具有明確定義的頻率，例如脈搏或呼吸等應用。」因此，這將有助於開啟更多的醫療感測應用。

那麼，這些性質是否會限制G-putty僅作為應變感測器用於相對較快的事件？

「對於快速(更高頻率)感測的應用可能更好，因為彈性部份佔主導地位，而黏性的響應最小。不過，我們目前尚未進行高頻率的測試，」Coleman總結道。