橡皮泥可以制成超灵敏的传感器

加入石墨烯,制成可测量呼吸、血压甚至蜘蛛脚印的探测器

很容易将橡皮泥(Silly Putty)看作是孩子的玩具。但这种有弹性的材料实际上表现出一些令人惊讶的特性:它是最柔软的塑料之一,既可以像液体一样流动,也可以像固体一样具有弹性,轻轻拉伸时会渗出,但用力扔时又会像橡胶球一样弹开。当你将橡皮泥与石墨烯(一种具有独特物理性质的坚固、导电的碳片)混合时,它就变成了一种极其灵敏的应变探测器,可以追踪血压、心率,甚至蜘蛛的脚步。

在都柏林三一学院的乔纳森·科尔曼(Jonathan Coleman)研究小组,这位科学家和他的团队研究石墨烯等二维分子,并为其在平坦纳米材料领域的应用寻找方向。此外,科尔曼说,他的实验室喜欢做“厨房物理学”,这是一种将日常家居物品融入研究以使其更有趣、更容易理解的传统。

科尔曼说:“顺着这个思路,我的一个学生想,‘橡皮泥是孩子的玩具,但它本质上只是聚合物,很多人都将石墨烯与聚合物混合——那为什么我们不将石墨烯与橡皮泥混合,看看会发生什么?’”

那位研究生康纳·博兰(Connor Boland),他此后已获得博士学位,制作了一批石墨烯水溶液,并加入了橡皮泥聚合物。在混合过程中,石墨烯片粘附在聚合物上,形成了一种黑色的黏液,研究人员称之为“g-putty”。

当他们将电流通过 g-putty 时(石墨烯浸润的聚合物可以导电),他们发现了一种非凡的灵敏度。科尔曼说:“即使你施加最小的压力或形变,其电阻都会发生显著变化。”“即使你将橡皮泥拉伸或压缩到正常尺寸的百分之一,其电阻也会改变五倍。这是一个巨大的变化。”

这种变化使得 g-putty 的灵敏度比其他形变探测材料高出约 500 倍,后者的类似压缩只会引起百分之一的电阻变化。这项研究结果已发表在《科学》杂志上。

这种材料可以用于测量振动的机电器件。特别是,这种柔软的橡皮泥非常适合测量身体运动。例如,一个柔软、无干扰的传感器可以追踪婴儿的呼吸,而不会引起孩子的不适或打扰。科尔曼声称,如果将类似的传感器放置在脉搏点上,不仅可以测量心率,还可以测量血压。

科尔曼说,血压的变化通常预示着患者病情的不良变化。因此,“如果你能持续测量血压,你将拥有衡量一个人健康状况的绝佳方法。这种传感器可以做到这一点,而且成本很低。”他设想了一种腕带,可以将 g-putty 传感器固定在人的手腕上,并在感应到血压显著升高或降低时向智能手机应用程序发出警报。

除了测量呼吸、心率和脉搏外,g-putty 还可以用作冲击传感器。为了展示其灵敏度,博兰哄一只蜘蛛走过橡皮泥,并测量了它微小的脚步声。这比听起来要困难得多。

科尔曼说:“真正的问题是,当蜘蛛把一只脚踩在橡皮泥上时,它非常不喜欢这种感觉,所以它会跑到另一个方向。”“很难让蜘蛛在那里待足够长的时间来产生一系列脚步声。”这个实验的教训是什么?“永远不要和孩子或动物一起工作。”

 

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