探测极限最低为0.0023m/s，港城大联合造出仿生石墨烯纤维传感器
近年来，新一代可穿戴式电子器件经历了爆发式的发展。2022 年，科技部发布 2022 年度“先进结构与复合材料”重点专项项目，其中就包含推动传感器产业可持续发展的相关部署。
香港城市大学化学系叶汝全教授和团队的研究方向之一，是拓展激光诱导石墨烯技术的应用，包括灭菌灭活病毒、太阳能驱动海水淡化、电催化等，此前也发表了一些论文。因此，他们希望借助激光诱导石墨烯技术，在智能传感方面做出一些贡献。
图 | 叶汝全（来源：资料图）
激光直写的石墨烯具备一些特殊特点：比如石墨烯的含氧量可调、亲疏水性控制、易掺杂其它元素、微观形貌调控等。
其中的微观形貌调控是指，制备出的石墨烯可以是多孔状的、管状的，也可以是竖直纤维状的。
压阻传感器特别是气流传感器，对于材料的微观形状变化非常敏感，比如当有气流通过时，轻型的纤维材料很容易发生变形，从而导致材料电阻发生变化。
通常学界制备的石墨烯都是多孔状的，一般不太关注其它不同形貌石墨烯的应用。而在最近的一项研究中，该课题组测试了多孔状和竖直纤维状的石墨烯的气流传感性能，包括灵敏度、反应时间和恢复时间等，结果发现多数性能都差强人意。
具体来说，多孔状的石墨烯反应时间长、灵敏度低；竖直纤维状的石墨烯灵敏度有所提高，但是响应时间会被拉长。
同时，多孔状石墨烯灵敏度较高的原因是，它的形状是笨重刚性的。而竖直纤维状石墨烯的灵敏度之所以能提高，是因为纤维状材料容易变形。其响应时间增大是因为竖直石墨烯纤维的分布比较分散，纤维与纤维之间的接触需要经过一定的距离。
后来，通过查阅气流传感的相关文献，他们发现当下的气流传感器性能仍有一些需要提升的地方，比如灵敏度仍需提高、气流测试极限还可以继续降低等。
在自然界中，鳞翅目类生物翅膀带有复杂周期性结构的鳞片，吸引了材料科学家将这种生物形态，“引用”到多种功能材料之中，比如医疗设备、光热材料、挥发性有机化合物传感器和贴片天线设计等。
同样在大自然中，有一些生物的刷毛和鳞片具备传感的功能，这些刷毛和鳞片有时沿着叶脉和翅膀边缘分布，在迁移和定向的机械感知、以及翅膀运动调节中起着关键作用。
受蝴蝶等鳞翅目类生物的启发，该团队使用薄膜刮涂器，将竖直状的石墨烯纤维转变成悬浮状的石墨烯纤维，并测试了它的气流传感性能。
他们发现悬浮状的石墨烯纤维相比其它两种形貌的石墨烯，可以实现最短 0.5s 的平均反应时间，最高 0.11s/m 的灵敏度，以及最低 0.0023m/s 的探测极限。
这些优异的性能得益于其形变具有同向延伸的堆积特点，在这方面有些类似于多米诺效应。因此，课题组开始探索利用激光工艺制备不同形貌的石墨烯，并优化其在气流传感方面的性能。
近日，相关论文以《生物启发的悬浮石墨烯纤维的超灵敏、快速响应、定向气流传感 Ultrasensitive, Fast-Responsive, Directional Airflow Sensing by Bioinspired Suspended Graphene Fibers》为题发在 Nano Letters 上[1]。
图 | 相关论文（来源：Nano Letters）
Libei Huang 是第一作者，叶汝全教授、美国密苏里大学机械与航空航天工程系教授闫政担任共同通讯作者。
研究中，该团队使用激光诱导石墨烯技术，制造了基于石墨烯的气流传感器、及其后续的形貌修饰，借此对变形机制做出改变，进而发现基于鳞片状结构的石墨烯传感器，在响应时间、恢复时间、灵敏度和检测阈值方面都达到了优异的性能。
相关机理也得到了明确的阐明，可为设计用于检测水流、气流等的下一代流量传感器提供见解和指导，有望用于环境监测、人体健康检测和个人辅助设备等。
其中，超低的气流传感器的检测极限、高度灵活性、稳定性和卓越的灵敏度，在其他应用中也有广阔的应用前景，例如在矿井和机器人中检测极慢的风。
此外，类似规模仿生的同步传播、或多米诺效应所实现的信号放大和快速响应，将在更广泛的背景下为设计下一代传感器带来启发，比如基于水流、声音和运动检测来设计传感器。
（来源：Nano Letters）
在基本工作完成之后，他们打算整理数据以及准备论文初稿。论文中包含基于不同形貌的仿生石墨烯在气流传感上的比较，为给读者带来更清晰更直观的理解，课题组希望放一些毛毛虫和蝴蝶的照片。
考虑到版权问题，需要自己去拍摄照片。碰巧有团队成员热爱摄影，平时有记录生活及拍摄的习惯，他的相册里果真有很多很漂亮且清晰的蝴蝶照片。尽管也有毛毛虫的照片，但是很模糊。
“于是，我们有想过在课题组组织爬山的时候，顺道找找有没有毛毛虫，还问过农村老家的亲戚有没有毛毛虫的照片，现在想起来还挺有趣的。”课题组表示。
（来源：Nano Letters）
接下来，他们计划进行传感器的更多创新型设计，通过构建信号发生新机制，进一步提高单个器件的检测范围和灵敏度。
同时，还将开发集成式的自动监测、分析和反馈系统，在微型化器件上实现多物理量的同时，还能检测以及解耦信号，希望借此可以解决传统气流传感器体积大、环境干扰大、响应速度慢等缺点。
参考资料：
1.Huang, L., Liu, Y., Li, G., Song, Y., Su, J., Cheng, L., ... & Ye, R. (2023). Ultrasensitive, Fast-Responsive, Directional Airflow Sensing by Bioinspired Suspended Graphene Fibers. Nano Letters.