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太残暴,“石墨烯+橡皮泥”,玩出了篇Science

他好像总能想出石墨烯的新玩法!


2014年,他们课题组用“石墨烯+橡皮筋”制备出了运动传感器,可穿戴&灵敏度高,随随便便发了篇ACS Nano[1]

“石墨烯+橡皮筋”传感器。图片来源:ACS Nano


2015年,他们课题组利用厨房用搅拌机这类设备实现了二维材料的大批量生产,制备石墨烯也能像做“奶昔”一样easy,这次收获了一篇Nature Mater.和一篇Chem. Mater.[2]

液相剥离石墨烯。图片来源:Nature Materials


液相剥离MoS2。图片来源:Chemistry of Materials


2016年,他们又搞出了新花样,用“石墨烯+橡皮泥”策略制备出了好玩且灵敏的传感器,这次,他们终于“残暴地”玩出了一篇Science

图片来源:Science


Duang~~~他就是爱尔兰都柏林圣三一学院Jonathan N. Coleman教授(点击查看介绍),估计在他实验室读博一定充满了乐趣(有没有闻到一股“别人家的课题组”的酸意~~~)。机缘巧合下,小希有幸聆听过Coleman的报告,还跑去找大神求过合照,一个帅帅的爱尔兰人(星星眼@@)。

和Jonathan Coleman教授的合影。图片来自:小希珍藏


好了,言归正传,来看看这篇玩出来的Science吧,先上视频。


视频来源:Science


自从2004年石墨烯首次被分离出来,研究者对它的关注度逐年升高,并制备出了各种基于石墨烯的复合材料,应用于电学、力学等各个领域当中。然而,尝试将其与“粘弹性”材料相结合的文章并不多见,基于石墨烯-聚合物复合材料的粘弹效应尚有许多值得探索之处。因此,Coleman课题组将石墨烯纳米片(长200-800 nm、厚度约20个原子层)和轻度交联的聚硅树脂(俗称橡皮泥,silly putty)混合,得到一种敏感度很高的电力学传感材料——G-putty,可以用来检测变形和冲击等过程。

Coleman教授和他的儿子Oisín手里拿着G-putty(貌似小朋友更帅一点?)。图片来源:AMBER/Trinity College Dublin


Coleman等人对G-putty的形貌特征、流变性质和电机械性质进行了表征。随后,他们将材料应用于传感器中,用来检测人体的指关节动作、呼吸甚至脉搏跳动。G-putty材料的电阻对极其轻微的变形或冲击非常敏感,灵敏系数可达500以上。要知道,目前市场上常见的同类金属基传感器,灵敏系数仅在2左右,而这已经足以进行应付一些日常应用了。不够形象?没关系,这里还有个例子,G-putty材料甚至可以清楚地记录一只20毫克重蜘蛛所爬过的每一步。这里还有个小故事,本来准备做两只蜘蛛的对比实验,结果出去转了一圈回来一看,大蜘蛛已经把小蜘蛛给吃了,于是只剩下一只蜘蛛~~

G-putty的基本表征。图片来源:Science


G-putty的传感器性能表征。图片来源:Science


随文章一起发表的还有多达76页的“Supplementary Materials”,研究者对材料的性能做了非常非常详实的论证,尤其是传感性能和计算推导,小希在这里默默地佩服一下。

Coleman教授和本文一作Conor Boland博士(右)。图片来源:AMBER/Trinity College Dublin


“我很愿意说,这一切都经过了周密的计划,但事实却非如此。”Coleman教授在接受采访时笑着说,“我们课题组已经形成了一个传统,很乐意在科学研究里尝试那些家用的东东。”


尽管在成功商业化之前还需要解决一些问题,诸如材料的大规模生产和真实环境中的长期性能测试等,但基于G-putty的传感器廉价、小巧、无创、使用方便,在医疗器械、可穿戴装备等领域有着非常光明的应用前景。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):

http://science.sciencemag.org/content/354/6317/1257

Sensitive electromechanical sensors using viscoelastic graphene-polymer nanocomposites

Science, 2016, 354, 1257-1260, DOI: 10.1126/science.aag2879


参考文献:

1. ACS Nano, 2014, 8, 8819–8830, DOI: 10.1021/nn503454h

2. Nature Mater., 2014, 13, 624-630, DOI: 10.1038/nmat3944

Chem. Mater., 2015, 27, 1129-1139, DOI: 10.1021/cm5044864


部分内容编译自Nature News

http://www.nature.com/news/graphene-spiked-silly-putty-picks-up-human-pulse-1.21133


导师介绍

JonathanN. Coleman教授

http://www.x-mol.com/university/faculty/31088


(本文由小希供稿)


X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714


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