科研人員利用石墨烯研發(fā)世界上最薄傳感器

　　前不久，在舊金山國際電子元件會(huì)議（IEDM）上展出的石墨烯“紋身”是世界上最薄的表皮電子設(shè)備。像紋身一樣貼附在皮膚表面的石墨烯傳感器可以測(cè)量來自心臟、肌肉和大腦的電信號(hào)，以及皮膚的溫度和濕度。這種新型傳感器的測(cè)量精度與體積龐大的傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備相同，甚至更高。

　　德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的傳感器開發(fā)人員希望該產(chǎn)品可用于化妝品市場(chǎng)，并希望超薄傳感器可以代替現(xiàn)有的醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備，為用戶提供更為舒適的佩戴體驗(yàn)。

　　目前，如果醫(yī)生想通過監(jiān)測(cè)心率來診斷心臟疾病，患者需要佩戴體積較大的心電圖監(jiān)測(cè)設(shè)備（EKG）24小時(shí)。研究人員希望在保持甚至提高測(cè)量精度的條件下開發(fā)出體積更小、不引人注目的監(jiān)控設(shè)備。德吉（Deji Akinwande）是二維材料領(lǐng)域的電氣工程師，他正在與表皮電子學(xué)專家魯南姝教授合作開展該項(xiàng)目。

　　材料科學(xué)家多年來都在宣揚(yáng)石墨烯優(yōu)越的電學(xué)和機(jī)械性能。此外，這種單原子厚度的二維材料還有一個(gè)重要特性：透明性。當(dāng)它貼附在皮膚上時(shí)，它還會(huì)順著皮膚表面的高低起伏發(fā)生形變。德吉說，石墨烯材料的透明性和柔軟性使得當(dāng)其貼附在皮膚表面時(shí)，我們幾乎感覺不到它的存在。

　　研究人員首先在銅基板上生長出單層石墨烯，然后覆蓋一層有彈性的聚合物材料，并蝕刻掉銅。接下來，將聚合物-石墨烯片放置在臨時(shí)紋身紙上后，研究人員通過一定的方法將石墨烯片刻蝕成具有彈性的螺旋形電極。這樣，世界上最薄的醫(yī)療設(shè)備就可以像臨時(shí)紋身那樣貼到皮膚上了。

　　在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用石墨烯紋身進(jìn)行了5種測(cè)量，并將得到的數(shù)據(jù)與常規(guī)傳感器的結(jié)果進(jìn)行比較。

　　石墨烯電極可以讀取下皮組織中電活動(dòng)變化引起的電阻變化。佩戴在胸部上時(shí)，石墨烯傳感器可以檢測(cè)到傳統(tǒng)心電圖設(shè)備不可見的微弱波動(dòng)。此外，應(yīng)用于腦電圖（EEG）和肌電圖（EMG，用于記錄肌肉的電信號(hào)，可廣泛應(yīng)用于下一代義肢）的傳感器精度也十分高。德吉介紹到，石墨烯傳感器還可以監(jiān)測(cè)皮膚溫度和濕度的變化，許多化妝品公司對(duì)此十分感興趣。

　　石墨烯與皮膚的高度貼合性是其高精度的原因之一。常規(guī)醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備使用的大體積剛性電極與皮膚之間存在空氣間隙，大大降低了這些儀器的信號(hào)精度。一些新型傳感器只有幾個(gè)微米厚度，與皮膚的貼合性也大大提高，但因?yàn)樗鼈內(nèi)允褂脭?shù)百納米厚的金電極，在皮膚拉伸和收縮時(shí)電極可能與皮膚失去接觸。

　　相比之下，德州研究人員開發(fā)的傳感器中石墨烯電極厚度僅有0.3納米。

　　德吉說，接下來他們將為石墨烯紋身添加信號(hào)傳輸系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備和手機(jī)或計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。