給你一支鉛筆和一張,你能做什么?畫畫,素描,或者寫情書?在科學(xué)家的巧手下,它們不僅僅是普普通通的日常用品,還可以用它們做出許許多多的柔性電子器件。

一支鉛筆一張紙!發(fā)了一篇頂刊《PNAS》|用 “鉛筆”和“紙”繪制高精度柔性電子器件

近日,密蘇里大學(xué)Zheng Yan教授團隊針對傳統(tǒng)柔性電子器件成本高、難制造、不易降解等缺點,提出了使用鉛筆和紙制造柔性電子器件的方法,他們制作的器件包括溫度傳感器、電生理傳感器、電化學(xué)汗液傳感器、焦耳加熱元件和濕度發(fā)電機,利用這些器件可以(1)實時、連續(xù)、高精度地記錄身體的各種重要生理信息(如皮膚溫度、心電圖ECG、肌電圖EMG、大腦α、β和θ節(jié)律、瞬時心率和呼吸頻率),提供程序性的熱刺激;(2)原位分析三種汗液標(biāo)志物(pH、尿酸和葡萄糖),具有很高的靈敏度和選擇性,(3)制作自供電系統(tǒng),每0.87 cm2面積內(nèi)可以持續(xù)產(chǎn)生480mV的電壓,持續(xù)時間超過2 h。此外,他們還開發(fā)了一種自給式經(jīng)皮給藥系統(tǒng),探索了鉛筆和紙在天線、2D/3D電路、可生物降解電子器件等方向的應(yīng)用。相關(guān)工作在PNAS上發(fā)表。

選擇紙和鉛筆的優(yōu)點在于,紙張通常由天然纖維素纖維制成,可以在6周內(nèi)完全分解,而且成本非常低廉(0.1美分/dm?2),它們的高柔韌性和透氣性有利于在皮膚電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。鉛筆芯是由細小的石墨粉和各種添加劑組成的,在書寫過程中,由于鉛筆芯和紙之間的摩擦,石墨顆粒被摩擦掉,導(dǎo)電石墨被轉(zhuǎn)移到紙上,畫出的石墨圖案可用作導(dǎo)電線和傳感電極,紙張作為柔性支撐基底,此外,將微量的粘合劑噴涂到?jīng)]有石墨的裸露區(qū)域,可以改善皮膚與設(shè)備的粘附性。在該研究中,研究人員選用了9B鉛筆,因為它們的石墨含量相對較高(93%)。紙張則是常見的A4辦公用紙。

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文章中做出的器件也是十分酷炫。他們首先畫了一個平面偶極子天線,它在無線電發(fā)射和接收領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。發(fā)現(xiàn)隨著鉛筆畫石墨層數(shù)的增加,天線的損耗電阻降低了,實驗與理論模擬值也非常接近。另外,由于器件采用了蛇形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和Kirigami剪紙策略,在拉伸狀態(tài)下的電阻變化也非常?。▓D1)。將畫出的電路和LED燈連接,用橡皮一擦,燈就會熄滅,再畫幾筆,燈又重新亮了起來。

一支鉛筆一張紙!發(fā)了一篇頂刊《PNAS》|用 “鉛筆”和“紙”繪制高精度柔性電子器件
圖1 用鉛筆畫在紙上的電子器件

 

接著他們畫了一個溫度傳感器和電生理傳感器。從圖2可以看到,器件電阻對溫度十分靈敏,還可以作為加熱元件在皮膚上使用。在電生理傳感器的測試中,器件的接觸阻抗和信噪比與傳統(tǒng)的Ag/AgCl凝膠電極相當(dāng),測量的心電、肌電信號也都十分靈敏。

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圖2 熱傳感器與電生理傳感器的應(yīng)用

 

這個器件還可以高精度、實時的測量腦電波,持續(xù)監(jiān)測大腦活動對于研究認知行為至關(guān)重要,腦電活動可分為5個頻段:δ波、θ波、α波、β波和γ波,每個頻段都與不同的精神狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。圖3顯示了受試者三種精神狀態(tài)下信號強度的明顯差異。

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圖3 腦電信號的測量

 

探索還沒有結(jié)束,作者又開發(fā)了基于紙筆的pH、UA和葡萄糖傳感器用于原位汗液生化分析,與生物物理信號的實時測量相結(jié)合,可以提供人體的健康狀況,器件的穩(wěn)定性、選擇性都十分優(yōu)異,測量結(jié)果與傳統(tǒng)方法十分接近。

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圖4 汗液分析儀器

 

利用能量收集裝置可以得到自供電可穿戴設(shè)備。作者通過電極化手段在材料上形成含氧基團濃度梯度,含氧基團從環(huán)境中吸收水分子,通過水解產(chǎn)生氫離子的濃度梯度,在濃度梯度的驅(qū)動下,利用氫離子的擴散實現(xiàn)發(fā)電。這個能量收集器(有效器件面積~0.87cm-2)在相對濕度為~95%的情況下,可以產(chǎn)生高達~480 mV的持續(xù)開路電壓,并持續(xù)2 h以上,基于此作者開發(fā)了一種概念性的自供電經(jīng)皮給藥系統(tǒng)。

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圖5 濕度能量收集裝置及給藥系統(tǒng)

 

由此可見,我們身邊許多看似普通的事物,可能背后擁有巨大的應(yīng)用潛力??茖W(xué)的探索永無止境,如果你我能夠處處留心,多觀察,多思考,多實踐,也許人人都可以成為一名偉大的科學(xué)家。

 

全文鏈接:

https://www.pnas.org/content/early/2020/07/09/2008422117

 

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