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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(duì)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(duì)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(guó)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(cè)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(guó)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(zhǎng)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(shì)變化和呼吸的皮膚可穿戴傳感器。總之，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(guó)家自然科學(xué)基金，國(guó)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。