麵包上的石墨烯

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激光誘導石墨烯作為一種高度導電的物質蝕刻到一片麵包上。圖像來源：Jeff Fitlow/Rice University

美國萊斯大學的科學家們引入了激光誘導石墨烯(LIG)來增強他們的技術，有可能製造出一種新一代可食用電子產品。

化學家James Tour在萊斯大學的實驗室曾經將女童子軍餅乾轉化為石墨烯，現在正在研究如何將石墨烯圖案寫入食物和其他材料，以快速地將導電識別標籤和感測器嵌入到產品中。

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Tour說：「這與墨水不同，該技術將材料本身轉化成為石墨烯。」Tour的實驗室的觀點：所有擁有適當含碳量的東西都可以被轉化為石墨烯，而這項研究是該觀點的延伸。近年來，該實驗室開發出這種方法並進行擴展，利用商業激光作用於某種廉價聚合物膜表面，製造出石墨烯泡沫。

這些泡沫由微小的、互相交叉連接的石墨烯片組成，石墨烯是碳元素的二維存在形式。LIG可以被蝕刻到目標材料上，並被用作超級電容器、燃料電池的電催化劑、射頻識別(RFID)天線和生物感測器，還適用於很多其他有潛力的應用。

這項發表在美國化學學會《ACS Nano》期刊上的新研究表明，激光誘導石墨烯可以被蝕刻到紙張、硬紙板、面料、煤炭，甚至是某些食物上，比如麵包。

Tour說：「通常，在我們使某種事物成為可能之前，我們看不到它的優勢。也許在未來所有的食物都可以僅僅依靠一張小小的RFID標籤就能讓消費者知道關於其來源、存儲時間、生產地，以及到達餐桌前的路徑等信息。」

Tour說：「LIG標籤也可以被用於檢測食物中的大腸桿菌和其他微生物。它們會變亮並提示你不要吃這個食物。而我們不需要額外的標籤，標籤就在食物本身上。」

研究人員使用散焦光束形式的多重激光將LIG蝕刻到面料、紙張、土豆、椰子殼、軟木塞以及烤麵包上（麵包首先要被烤，從而使其表面碳化）。這一過程發生在室溫下的空氣中。

Tour說：「在某些情況下，多重激光能夠產生兩步反應。首先，激光通過輻射熱將目標表面轉變成無定形碳。然後在激光的後續傳遞過程中，選擇性紅外線吸收將無定形碳轉化成LIG。我們發現波長顯然很重要」

研究人員轉向多次激光和散焦時發現，僅僅提升激光的功率並不能夠在椰子或其他有機材料上製造更好的石墨烯，所以他們將目光轉向了多重激光和散焦光束。通過對這一過程的調整，研究人員們在椰子殼上製造出了字母「R」形的微型超級電容。

圖像來源：《ACS NANO》

激光的散焦使得在很多材料上的石墨烯製造過程加快了，因為光束越寬，在單次光柵掃描的時候目標物體上的每個點被激光照射的次數就越多。Tour說，這也可以對產品進行精細控制。散焦激光將過去不穩定的聚醚醯亞胺轉化成了LIG。

萊斯大學的研究生Yieu Chyan是該研究的作者之一，他說：「我們還發現，可以使用麵包、紙張、面料，並向其中添加阻燃劑以促進無定形碳的形成。現在，我們可以在空氣中將這些材料直接轉化，而不需要受控的氣體箱或其他更複雜的方法。」

所有這些目標材料中共同的元素是木質素。一項早期研究將木質素（形成剛性細胞壁的複合有機聚合物）作為碳前驅體，把LIG蝕刻在烘乾的木頭上。軟木塞、椰子殼和土豆皮擁有更高的木質素含量，所以它們更容易被轉化為石墨烯。

Tour說，靈活的可穿戴電子設備可能是該技術的早期市場。他說：「該技術的應用包括在衣服上添加導電線路，無論你想加熱衣服還是加入感測器或導電圖案都將成為可能。」

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