水汽层距协同并进,电流颜色双管齐下——超灵敏的气流传感器

在自然界中,蝙蝠可以通过翼毛监测气流情况以辅助飞行控制,蚊子通过感知环境中气流的速率和方向变化来逃避外界攻击,蟋蟀的纤毛具有极高敏感程度的气流感应能力,其可检测最小气流的能量极限甚至与绿光光子的能量相当。皮肤或毛发精确的气流感知功能让这些生物具备如此不可思议的能力。

精准的气流传感在诸如机器人操作系统、生物医药工程、工业控制、环境监测等许多传统领域中扮演着不可或缺的重要角色。近年来,诸多研究人员专注于开发电子皮肤,可穿戴传感器和仿生功能化器件,希望能够模拟生物体的功能,例如气流感应能力,并应用于仿生机器人、智能交互系统、个人运动健康监控等新兴领域。然而,在已有的报道中大多数气流传感器笨重且不敏感,只有少数基于生物启发的人造毛发传感器可以检测到mm·s1水平的微弱气流。但是,这些传感器不仅结构精密,工艺复杂,脆弱易损,而且性能也较真正的生物体仍然相去甚远。因此,开发能够模仿甚至超越生物功能的气流传感器仍然是一个巨大的挑战。

有鉴于此,中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所李立强研究员课题组另辟蹊径,在鼻黏膜细胞通过水分子蒸发热感知气流和气流插层氧化石墨现象的启发下,巧妙地利用氧化石墨烯表面可逆吸附的水分子和可调层间距的协同作用,制备了一种极灵敏、可变色的气流传感器。

图1. 氧化石墨烯气流传感器原理示意图

如图1所示,静态时空气中水分子会自动吸附在GO表面,当气流吹过,水分子会从GO表面脱附,同时GO的片层间距也由于气体分子的插入而扩大,这两者共同导致了GO电导率的下降。这种传感器在性能测试中展现出数量级的电导率(灵敏度)变化和低至0.2 mm·s-1的气流检测限,这一数值甚至低于人体皮肤所能感知到的气流的最小流速。

图2. 器件的可视化气流传感 (a)原理示意图,(b)实物照片

更有意思的是,就像变色龙通过调整鸟嘌呤纳米晶体晶格排布来改变颜色一样,GO片层间距由于气流作用的扩展改变了同一角度下反射光的波长(片层紧密时反射短波长的绿光,片层疏松时反射长波长的红光),从而使器件表现出肉眼可见的颜色变化(图2),这种可视化传感的能力使得该器件在可穿戴领域和仿生电子皮肤的应用中更具吸引力。

本工作在线发表在Advanced Materials Interfaces (DOI: 10.1002/admi.201900365)上,被评选为当期的内背封面文章,第一作者是上海大学与中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所在读硕士黄忆男。