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近年來，同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院納米材料課題組對超黑碳?xì)饽z及其熱電子效應(yīng)進(jìn)行了一系列的研究。例如其微孔誘導(dǎo)的無角度和頻率依賴的強(qiáng)烈光吸收（ACS Nano，2016, 10, 9123-9128），碳?xì)饽z的熱電子耦合增強(qiáng)光催化效應(yīng) (MRS.Comm.2018,8,521-526)和熱電子誘導(dǎo)的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)（ACS Appl. Mater. Interfaces 2019,11,42057-42065）以及其本征的負(fù)電阻溫度系數(shù)和對超寬帶電磁波（從紫外到微波）的靈敏響應(yīng)（Carbon,2020,161,590-598）。

近日，受到章魚觸角感光功能的啟發(fā)，該課題組將碳?xì)饽z與柔性打印紙結(jié)合，采用激光碳化的方法制備了一種可穿戴型傳感器。通過在打印紙?jiān)鰪?qiáng)的間苯二酚-甲醛（RF）氣凝膠上激光打印出中國古代傳統(tǒng)紋飾中的“云雷紋”，得到的納米多孔碳?xì)饽z電阻型傳感器可以同時(shí)探測溫度（0.19%·° C^-1)、應(yīng)變（GF=16.7）、濕度，尤其是紅外光 (0.12%·mW^-1)的變化。特別的，這種光響應(yīng)性能在普通的可穿戴傳感器中并不多見，而章魚觸手上的皮膚則具有感光性。

中國古代的云雷紋均為螺旋形平面圖案（也常被稱為“回形紋”），其中圓形為云紋，方形為雷紋。雷紋圖案起源于新石器時(shí)代（公元前2200年的陶罐上就已出現(xiàn)），比西方類似圖案“Greek Key”早近了400年。該研究發(fā)現(xiàn)云雷紋由于具有更長的導(dǎo)電通路和更高的面積占比，展現(xiàn)出比常用的蛇形電阻型傳感器更好的綜合性能。憑借其良好的柔韌性和生物降解性，這種多功能傳感器可以作為一種可感知手勢變化和呼吸的皮膚可穿戴傳感器?？傊?strong>激光打印方法為紙基納米多孔導(dǎo)電材料的制備提供了新思路，進(jìn)而拓寬了碳?xì)饽z在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。使用云雷紋替代傳統(tǒng)的蛇形紋具有更好的綜合性能，為可穿戴傳感器設(shè)計(jì)提供了新的方法。此外，受章魚觸角感光特性啟發(fā)，紅外光、溫度以及應(yīng)變傳感等多種傳感性能的集成賦予人造電子皮膚更廣闊的應(yīng)用前景。該工作以Nanoporous Carbon Aerogels for Laser-Printed Wearable Sensors為題發(fā)表在ACS Applied Nano Materials期刊中（ACS Appl. Nano Mater.2021, 4, 7, 6796–6804），并被選為補(bǔ)充封面報(bào)道。

圖 1 ACS ANM 2021年7月第4期Supplementary Cover 報(bào)道

圖 2. (a) 激光打印紙?jiān)鰪?qiáng)氣凝膠傳感器制備過程示意圖。(b) 傳感器進(jìn)行熱電子增強(qiáng)光熱轉(zhuǎn)換和電導(dǎo)率增加的機(jī)制。(c) 打印紙、紙?jiān)鰪?qiáng)RF氣凝膠和紙?jiān)鰪?qiáng)RF氣凝膠激光碳化區(qū)域的 SEM 圖像和微觀結(jié)構(gòu)示意圖（插圖）。(d) 激光打印紙?jiān)鰪?qiáng)氣凝膠的拉曼光譜。(e) 激光打印紙?jiān)鰪?qiáng)碳?xì)饽z的電阻-溫度曲線。(f) 激光打印紙?jiān)鰪?qiáng)碳?xì)饽z的漫反射率。

圖 3. (a, b) 分別為在 980 nm 入射激光照射下，隨功率增加，雷紋圖案和“S 形”激光打印RF紙基傳感器的電阻變化。(c) 在三個(gè)光開關(guān)循環(huán)下50%–10%–3s樣品的電阻變化。(d) 激光打印傳感器在一杯熱水發(fā)出的中紅外光的輻射下產(chǎn)生的電阻變化。

圖 4. (a) 具有固定激光能量密度，不同打印次數(shù)的激光打印傳感器樣品，其電阻變化與彎曲應(yīng)變的關(guān)系比較。(b) 具有固定打印次數(shù)，不同激光能量密度的激光打印傳感器樣品，其電阻變化與彎曲應(yīng)變的關(guān)系比較。(c) 50%-10%-3s樣品，雷紋和蛇形的傳感器圖案的電阻變化與彎曲應(yīng)變關(guān)系比較。(d) 傳感器的電阻隨手指的彎曲和伸展而變化。(e) 在外加電壓下，經(jīng)過傳感器的電流隨著呼吸和屏氣頻率不同而變化。

該論文的第一作者是博士生姬秀潔，通訊作者為杜艾副教授，鐘穎、李辰悅、儲(chǔ)軍軍、邢證、汪宏強(qiáng)、張志華副教授等作者也做出了突出貢獻(xiàn)。該工作受到了國家自然科學(xué)基金，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“納米科技”重點(diǎn)專項(xiàng)和上海市特殊人工微結(jié)構(gòu)材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題的支持。