多功能石墨烯電子皮膚、可視化感測與脈搏波精準監測

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為了適應複雜多變的生存環境，很多生物（如變色龍、章魚）通過改變表皮顏色達到偽裝、保溫及情感交流的目的。變色功能不僅提高了動物的生存能力，更提高了其繁衍能力。受自然界的啟發，可產生豐富色彩的多功能電子皮膚應運而生，同時具備觸覺和變色雙重功能，通過顏色改變感知外界環境刺激，有望模擬、還原甚至取代人體皮膚。然而，傳統壓致變色材料受限於複雜的合成工藝和反應條件，變色閾值開啟應變較大，難以監測微變形。因此，如何通過人造皮膚色彩的改變識別微小變形仍然是目前面臨的挑戰之一。

近日，清華大學、北京大學和中國工程物理研究院的研究人員合作開發了一種基於石墨烯的多功能電子皮膚，極大地降低了變色閾值的開啟應變，在應變10%以內，通過快速變化的器件顏色準確地探測微小的變形刺激。將高靈敏的應變感測單元與可拉伸的有機電致變色單元一體化集成，應變感測單元感受外界力學刺激輸出電學信號，進而調控變色單元的色彩輸出。

由化學氣相沉積法合成的編織結構石墨烯既作為應變感測單元的變形敏感材料，又作為電致變色單元的可拉電極。前者要求石墨烯變形作用下結構迅速改變，後者要求石墨烯在變形作用下結構穩定，如何解決這一矛盾是關鍵所在。該研究詳細探討了高分子襯底的作用，發現調節襯底剛度極大地影響了石墨烯與襯底間的相互作用及石墨烯的形貌，進而調控石墨烯的應變感測行為，使其從不靈敏的可拉伸電極材料轉變為高靈敏的應變敏感材料。通過引入模量梯度的彈性襯底，該材料實現了感測、變色功能的一體化集成。結果表明，襯底和界面對器件性能的影響十分顯著，分析一款功能材料的感測性能時應充分考慮襯底的作用，而不能將器件的性能僅歸因於功能材料本身。

基於石墨烯的多功能電子皮膚在微應力感測、信息存儲、商標防偽和發光器件等領域具有潛在的應用。同時，上述襯底調控功能材料應變感測行為的思路，也為相關柔性電子材料的設計帶來有益的啟發。例如，該研究團隊近日開發了一款脈搏感測器，以石墨烯為敏感材料，可與人體皮膚緊密貼合，通過調節襯底的剛度獲得了適中的器件靈敏係數和線性度，從而高保真地採集人體的撓動脈脈搏信息，並利用USB或近程無線藍牙（Bluetooth）通訊技術將感測器採集到的生理信號傳輸出到智能終端（如手機、電腦），實現了脈搏波形的深入分析與診斷，有望為心血管等疾病的診斷提供參考。

相關成果發表在2D Materials和ACS Sensors上，第一作者為中國工程物理研究院的楊婷婷博士（清華大學2017屆博士畢業生），通訊作者為清華大學的朱宏偉教授和北京大學的李志宏教授。合作者包括香港中文大學的李昕明博士和清華大學深圳研究生院的臧曉蓓博士。該項目受到國家自然科學基金的資助。

1. 該論文作者為：Tingting Yang, Yujia Zhong, Dashuai Tao, Xinming Li, Xiaobei Zang, Shuyuan Lin, Xin Jiang, Zhihong Li and Hongwei Zhu

Integration of graphene sensor with electrochromic device on modulus-gradient polymer for instantaneous strain visualization.

2D Mater.,2017,4, 035020, DOI: 10.1088/2053-1583/aa78cc

2. 該論文作者為：Tingting Yang, Xin Jiang, Yujia Zhong, Xuanliang Zhao, Shuyuan Lin, Jing Li, Xinming Li, Jianlong Xu, Zhihong Li and Hongwei Zhu

A wearable and highly sensitive graphene strain sensor for precise home-based pulse wave monitoring

ACS Sensors,2017, DOI: 10.1021/acssensors.7b00230

導師介紹

朱宏偉

http://www.x-mol.com/university/faculty/17890

李志宏

http://www.x-mol.com/university/faculty/44736

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