超伸缩透明薄膜传感器问世


  想象一下,让皮肤如此柔韧,你可以拉伸它,超过两倍的正常长度,在任何方向都可以这样反复拉伸,但它总会恢复原状,完全没有皱纹,你放开它就行。你当然永远不会需要肉毒杆菌(Botox)。

  这种令人羡慕的弹性是几种新功能之一,已经制成,属于一种新型透明肌肤状压力传感器,这是最新的传感器,开发者是斯坦福大学(Stanford University)化学工程副教授包哲南(Zhenan Bao),她的追求是创造一种人工“超级皮肤”。这种传感器使用单壁碳纳米管(single-walled carbon nanotubes)透明薄膜,这种纳米管作用就像微型弹簧,使传感器可精确测量它上面的压力,可以被拉扯成像糖稀一样,也可以被挤压成像海绵一样。

  “这种传感器可以测量的压力范围,是从你用拇指和食指用力捏一下,到大象单脚站立所产生压力的两倍。”达伦•利泊米(Darren Lipomi)说,他是包哲南实验室的博士后研究员,也是研究小组的成员。

  “它们都不会导致任何永久变形,”他说。

  利泊米是一篇论文的主要作者,论文介绍了这一传感器,10月23日在线发表在《自然•纳米技术》上。

  这种传感器可用于制备触摸感应假肢或机器人,适合各种医疗应用,如压力敏感绷带,或电脑触摸屏。

  新传感器的关键成分是透明薄膜状碳“纳米弹簧”,它的制备需要喷涂碳纳米管,就是把一种悬浮液喷在一层薄薄的硅上,然后就可以拉长。

  纳米管喷刷到硅上,往往在附着时形成随机取向的小团块。当硅拉伸时,其中某些“纳米束”会被拉进,对齐伸展的方向。

  硅被松开时,就会弹回原来的尺寸,但碳纳米管会弯曲,形成微小的纳米结构,看起来就像弹簧。

  “我们做了这种预拉伸后,碳纳米管的性能就像弹簧一样,可一而再地拉伸,不会有任何永久的形状变化,”包哲南说。

  再次拉伸有碳纳米管涂层的硅,使方向垂直于第一次的方向,这会使其他一些碳纳米管束对齐这一次的方向。这使传感器完全可以在各个方向拉伸,随后完全弹回。

  此外,初次拉伸产生“纳米弹簧”,之后反复拉伸的长度低于初次拉伸,就不会显著改变电导率,包哲南说。维持相同的电导率,在拉伸和未拉伸形态中都很重要,因为传感器探测和测量作用于它们的压力,就是通过这些弹簧般的纳米结构,它们可作为电极。

  这种传感器包含两层有纳米管涂层的硅,朝向是这样,就是使涂层面对面,有一层更易变形的硅处于它们之间。

  中间层硅存储电荷,就像一个电池。压力施加到传感器上,中间层硅就会收缩,从而改变它可以存储电荷量。这一变化就会被两层碳纳米管膜探测到,两层纳米管就像典型汽车或手电筒电池的正极和负极。

  这种变化被纳米管薄膜感觉到,这就使传感器可以传送它“感觉到”什么。

  无论传感器被压缩或延长,两层纳米薄膜都会被挤在一起,好像这就会难以察觉发生的是哪种类型的变形。但利泊米说,它应该可以检测不同模式的压力。

  压缩时,你有望看到一种牛眼模式,最大变形在中心,逐渐减少变形是因为离中心渐远。

  “如果该装置被两个相对的钳子夹住拉伸,那么,最大变形会是沿着两个钳子之间的直线,” 利泊米说。远离这条线,变形就会减少。

  包哲南研究小组先前创造的传感器对压力很敏感,可以检测出的压力“远低于20毫克绿头苍蝇躯体产生的”压力,研究人员实验采用这种苍蝇。这一最新的传感器不是那么敏感,她说,那不过是因为研究人员重点是使它可拉伸和透明。

   “我们没有花很多时间来优化这种传感器的灵敏度,”包哲南说。

  “但是,以前的观念可用在这里。我们只需要改进一下电极表面,我们就可以有相同的灵敏度。”