中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

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2018年 9月26日-28日 | 上海世博展览馆

石墨烯复合材料将颠覆医疗传感器领域

2017-02-06

据了解,日前来自爱尔兰的科研团队灵光乍现,将石墨烯和儿童玩具SillyPutty(彩色橡皮泥)组合在一起,瞬间点燃了纳米材料社区的激情。所产生的全新复合材料拥有广泛的应用前景,科研团队已经承诺将制造用于医疗诊断行业的超敏应变式传感器上。

 

发表在《Science》杂志上的研究报告中,由爱尔兰科学基金会赞助,总部设于都柏林三一学院的AMBER材料科研中心发现,如果你在类似于橡皮泥这样的低粘度材料中添加纳米片,其机电性能就会产生巨大的变化。你会突然发现已经拥有了一个极端敏感的应变式传感器。 

 

 

 当你对已经注入石墨烯的橡皮泥施加电压之后,哪怕是非常轻微的触摸都会对电流产生非常大的变化。而这正是应变式传感器的原理。

 

 负责该项目的都柏林三一学院教授JonathanColeman说道:“如果将含有石墨烯的橡皮泥长度拉伸1%,那么电流就会调整5倍。非常小的机械变化都会产生巨大的电流变化。”

 

 在对石墨烯橡皮泥进行的多项测试中,研究人员将这种符合材料分别放置在人的胸部和颈部,用来测量呼吸、脉搏和血压。研究结果表明,对于应变式传感器和压力传感器来说,这种复合材料拥有前所未有的灵敏度,是现有传感器的数百倍。

 

 “我们发现,当你将石墨烯和此类极软聚合物组合在一起的时候,它们不仅完全胜任应变式传感器的角色,而且跟目前我们创建的传感器相隔几光年的距离。”Coleman表示:“而且,这些特性事实上和这些柔软的聚合物密切相关。”

 

 另人感到惊讶的是,此前在该领域将石墨烯和低粘度聚合物结合的研究几乎没有。这主要是因为陷入了思维误区,尝试利用石墨烯的柔软特性将材料变得更软。因此在此前尝试的融合中,往往选择了质地坚硬的聚合物,在引入石墨烯之后并未得到预期,甚至某些复合材料反而变得更坚硬了。

 

尽管有尝试过将石墨烯和柔软的聚合物进行整合,但此前没有将石墨烯嵌入到像橡皮泥这样的柔软聚合物中。尽管将石墨烯添加到聚合物中已经进行了大量的尝试,但是将石墨烯用于应变式传感器尚属首次,意味着石墨烯翻开了新的篇章。而主要的原因在于,没有人会相信这个柔软的材料能够迸发出如此强烈的增益效果。

“我们都知道人类在这方面的研究并不多,”Coleman说道:“但是我必须承认的是,我们从未想过这种新型复合材料能呈现如此有趣的实验结果。”

 

尽管Coleman坚信未来这种复合材将广泛应用于医疗传感领域,但截至目前,最明晰最重要的实例就是测量脉搏和血压。

 

Coleman说道:“我们能够以相对直接的方式的来测量脉搏。尽管现在有丰富的医疗手段实现,但是我们的方法相对更加简单、便宜且具有持续性。”

 

“这项复合材料投入商用的首个挑战就是材料的供应,不过我认为这并不是问题。”Coleman说道:“市场上有很多石墨烯的商业供应商,能够大批量供应这种材料。而且,橡皮泥是常见且容易获得的材料的。而两种材料的组合程序也相当的简单,自然可以工业化。所以,制造这种复合材料没有问题。”

 

而如何将这种复合材料设计成传感设备才是真正的挑战。Coleman解释道转换成为商品,必须拥有类似于智能手表样的外形以便于佩戴在手腕上,充分利用内部的传感材料进行监测。然后,你需要电源来产生电流并检测其中的变化。还有需要创建相应的通信系统,将这些信号传输至移动手机上,通过应用来收集和分析数据。

 

他说道:“坦白来说,所有这些设想距离走进日常生活并不会太远。我并不认为工程设计方面存在巨大的挑战。因此我们真的很快会看到这种复合材料商业化。”

 

尽管Coleman和他的同事共同研发的应变式传感器的敏感度已经不错,但是他坚信当前的研究成果仅仅只是提供了全新的复合材料制造方法,基于这项研究,未来将会诞生更敏感的传感技术。

 

“我们真正想做的事情是研发下一代传感技术。”Coleman说:“我们已经拥有了非常敏感的复合材料,但是我们也看到用不同的方式不同的聚合物,整合石墨烯来制作复合材料,或许能够创建比我们当前敏感十倍以上的复合材料。”
 
来源:荣格