科技创新:科学家利用石墨烯发明最薄传感器

必发365登录入口2017年2月7日讯  目前,如果医生想通过监测心率来诊断心脏疾病,患者需要佩戴体积较大的心电图监测设备(EKG)24小时。研究人员希望在保持甚至提高测量精度的条件下开发出体积更小、不引人注目的监控设备。德吉(Deji Akinwande)是二维材料领域的电气工程师,他正在与表皮电子学专家鲁南姝教授合作开展该项目。

不久前,在旧金山国际电子元件会议(IEDM)上展出的石墨烯“纹身”是世界上最薄的表皮电子设备。像纹身一样贴附在皮肤表面的石墨烯传感器可以测量来自心脏、肌肉和大脑的电信号,以及皮肤的温度和湿度。这种新型传感器的测量精度与体积庞大的传统医疗设备相同,甚至更高。

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德克萨斯大学奥斯汀分校的传感器开发人员希望该产品可用于化妆品市场,并希望超薄传感器可以代替现有的医疗检测设备,为用户提供更为舒适的佩戴体验。

材料科学家多年来都在宣扬石墨烯优越的电学和机械性能。此外,这种单原子厚度的二维材料还有一个重要特性:透明性。当它贴附在皮肤上时,它还会顺着皮肤表面的高低起伏发生形变。德吉说,石墨烯材料的透明性和柔软性使得当其贴附在皮肤表面时,我们几乎感觉不到它的存在。

研究人员首先在铜基板上生长出单层石墨烯,然后覆盖一层有弹性的聚合物材料,并蚀刻掉铜。接下来,将聚合物-石墨烯片放置在临时纹身纸上后,研究人员通过一定的方法将石墨烯片刻蚀成具有弹性的螺旋形电极。这样,世界上最薄的医疗设备就可以像临时纹身那样贴到皮肤上了。

在验证实验中,研究人员使用石墨烯纹身进行了5种测量,并将得到的数据与常规传感器的结果进行比较。

石墨烯电极可以读取下皮组织中电活动变化引起的电阻变化。佩戴在胸部上时,石墨烯传感器可以检测到传统心电图设备不可见的微弱波动。此外,应用于脑电图(EEG)和肌电图(EMG,用于记录肌肉的电信号,可广泛应用于下一代义肢)的传感器精度也十分高。德吉介绍到,石墨烯传感器还可以监测皮肤温度和湿度的变化,许多化妆品公司对此十分感兴趣。

石墨烯与皮肤的高度贴合性是其高精度的原因之一。常规医疗检测设备使用的大体积刚性电极与皮肤之间存在空气间隙,大大降低了这些仪器的信号精度。一些新型传感器只有几个微米厚度,与皮肤的贴合性也大大提高,但因为它们仍使用数百纳米厚的金电极,在皮肤拉伸和收缩时电极可能与皮肤失去接触。

相比之下,德州研究人员开发的传感器中石墨烯电极厚度仅有0.3纳米。

德吉说,接下来他们将为石墨烯纹身添加信号传输系统,以实现设备和手机或计算机之间的数据传输。

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