基於褶皺石墨烯上形成均勻微水滴的超快速響應濕度感測
作為最重要生命體征之一，人體呼吸活動的監測是現代醫學對於心肺和呼吸系統功能判斷的重要依據，其在疾病診斷、健康狀況監測及個人醫療保健方面都具有廣泛的應用。較於傳統的多導式呼吸監測系統，具有快速響應的攜帶型可穿戴濕度感測器在呼吸監測中由於其易用性受到了廣泛關注。然而，在諸多呼吸監測應用中，攜帶型濕度感測器經常需要被封閉在特定環境中如口罩內。長時間暴露在高濕度環境中（60%-100%）導致大多數濕度感測器吸附過多的水分從而極大的降低其響應度與回復時間，甚至造成感測器的失效。因此，設計一種具有高靈敏度、超快響應速度且在高濕度環境下具有優異的穩定性的濕度感測器是非常重要的。石墨烯由於其超高的比表面積、優異的電學性能、對水分子較高的響應度和較快的響應速度等特性是濕度感測器的潛在理想材料。
清華大學材料學院的甄真博士在朱宏偉教授的指導下，利用金屬催化劑—銅鋅合金作為化學氣相沉積襯底，製備了一種具有均有褶皺結構與疏水表面的石墨烯薄膜。由於銅和鋅的熔點差異，可準確控制石墨烯的生長溫度以及速率。在鋅的蒸發過程中，催化劑襯底的表面形貌完整的體現在石墨烯的褶皺中，同時在褶皺邊界處引入缺陷從而提高石墨烯對水分的響應。轉移至矽片上的褶皺石墨烯由於其特殊的表面形貌和缺陷使其對水分子具有超快響應回復速度（12.5ms）（目前報道最高值）。與此同時，該感測器可以直接應用於口罩中進行呼吸感測的監測，對溫度變化不敏感，並在高濕度環境下顯示出優異的濕度監測靈敏度和穩定性。通過對比褶皺石墨烯、常規化學氣相沉積法製備出石墨烯、氧化石墨烯和還原氧化石墨烯在高濕度環境下的濕度監測性能，發現其它石墨烯材料由於其平整的表面，過多的水分極易形成難以蒸發的幾百微米以上的大水滴而覆蓋整個表面，感測器響應度及回復速度嚴重劣化。而褶皺石墨烯由於其特殊的褶皺疏水表面，水蒸氣在感測器表面傾向於形成獨立的微米大小的水滴而非移動融合成大水滴，從而最大化了其蒸發麵積與蒸發速度，感測器性能在長時間的高濕度環境下並無任何退化。
綜上所述，該種基於均勻褶皺的石墨烯濕度感測器具有較好的靈敏度、超快響應和恢復速度及在高濕度環境下的工作穩定性。應用展示證明了基於該石墨烯濕度感測器可檢測包括呼吸急促、哮喘、呼吸驟停以及說話和咳嗽等呼吸的細微變化。另外其極高的響應速度使得其通過檢測從指尖皮膚蒸發的水分，可以判斷出手指的動作。預期此類感測材料與技術能為未來呼吸監測及相關應用提供新思路。
相關論文在線發表在Small (DOI: 10.1002/smll.201703848)上。
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