激光刺青可以制造可食用和穿戴的电子产品

时间:2018-07-02 08:33来源:环球科学作者:TYLER BERRIGAN 点击:
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摘要:现在,想像一下你最喜欢的食物,它的表面有一种非常薄的可食用传感器,这些传感器可以给你提供有用的信息,也许它们可以告诉你食物的营养成分,或者展示食物生产的地点和时间,甚至展示食物的生产过程,这正是科学家们正在努力的方向。

关键字:激光,激光技术,激光刺青

 

  一台计算机控制的特殊激光器可以将石墨烯图案刻在各种不同的材料上,包括这片面包。然而,除了绘制可爱的猫头鹰外,科学家们希望利用这项技术将电子传感器安装在日常用品上。

  供图:杰夫·菲特洛/莱斯大学

 

  现在,想像一下你最喜欢的食物,它的表面有一种非常薄的可食用传感器,这些传感器可以给你提供有用的信息,也许它们可以告诉你食物的营养成分,或者展示食物生产的地点和时间,甚至展示食物的生产过程,这正是科学家们正在努力的方向。一个研究团队通过使用特殊的激光,已经能够在食物和织物等日常材料上蚀刻超薄碳层,这是制造新型电子传感器早期但重要的一步。将来,它们可以变成可穿戴的甚至可食用的。

 

  Yieu Chyan是莱斯大学(Rice University)的一名化学家,他的团队使用激光将不同物体最外层的碳层转化为一种令人难以置信的有用材料,这种材料称为石墨烯(GRAA-feen)。它是一种单原子厚度的碳,研究人员正在完善这项刺青技术,将它用于普通的含碳材料,这些材料包括纸、软木、木材、纸板、布,甚至食物,如土豆和面包。

 

  化学家James Tour指出,他的研究团队已经使用激光,在马铃薯和其他物品上制造出石墨烯刺青,物品上的“R”代表他工作的莱斯大学。

 

  碳原子的排列方式使得石墨烯呈现黑色,所以用激光制造的刺青看起来像描绘的一样,但研究人员不会在物品表面添加墨水或其他任何东西,由碳原子形成的石墨烯,已经算是材料的一部分了。

 

  石墨烯具有蜂窝状结构,并且排列成单原子厚度的薄片。当激光通过一些材料的表面时,其强大的能量将这些碳原子锁定在材料表面,将它们转化为石墨烯。有时候,激光反而会撞击碳原子,产生无稳定结构的泡沫,当这种情况发生时,研究人员会再次将激光通过物体表面,第二遍聚焦激光使碳泡沫转化为石墨烯,科学家将这种处理方式称为激光诱导石墨烯(laser-induced graphene)或LIG。

 

  科学家们已经利用LIG方法研究了很长时间,Chyan说:“我们知道它在许多应用领域中非常有用,包括传感、水分解、制造特殊涂层和电池”,但他也补充道,之前只是在一种被称为聚酰亚胺的材料上进行LIG研究,该材料是一种塑料,莱斯大学团队不希望止步于此。Chyan解释说:“我们希望能够将LIG技术应用在各种不同的材料上。”

 

  为此,他们改变了方法。他们找到了一种使用多种激光的处理方法来制造LIG。研究过程中,他们发现激光在木质素含量高的材料上,作用效果特别好,这种富含碳的物质存在于许多植物中。例如,在软木、椰子和土豆皮上的刺青效果非常好。Chyan的团队于2月13日在《ACS Nano》期刊上描述了这些发现。

 

  石墨烯在电子器件上的应用

 

  石墨烯不仅非常坚固,而且有良好的导热、导电性,这就是为什么科学家对使用LIG技术,制造电子产品特别感兴趣。Chyan说:“例如,你可以把LIG技术应用在布上,制作可穿戴的电子产品。想象一下,这是一件有自己的电源,传感器和接线的夹克。”

 

  James Tour是莱斯大学的化学家,也是这项新研究的合著者。他希望在食物上看到电子传感器。制造商已经将小型计算机芯片安装在许多物品上。一种称为射频识别(RFID)标签的芯片,可以存储多种类型的信息,人们可以通过使用小型设备扫描标签,来检索存储的信息。现在时不时展望一下,有一天,每一样食物都会有一个微小的RFID标签,告诉你有关它的生产地、可以储存的期限、它的生产国和城市,以及到达餐桌的路径。

 

  LIG标签甚至可以帮助检测危险细菌的存在。如何检测?也许,Tour畅想道:“它们可以发亮并给你一些你不想吃这些食物的信号。”

 

  Jian Lin是哥伦比亚密苏里大学(University of Missouri)的一名机械工程师,曾与Tour合作过,Lin对LIG的应用前景持乐观的态度,他说这项新研究描绘了“令人十分兴奋的工作”。莱斯大学团队的改进主要表明“任何具有适当碳含量的东西都可以变成石墨烯”。

 

  Lin自己的团队正在探索如何在机器人技术中使用LIG,他说,他们正在测试将该技术用于能量存储、生物传感器和软件机器人。最新的应用需要用到柔软且可弯曲的材料。

 

  Chyan也在研究LIG在机器人方面的应用。他想让机器人拥有“触觉”传感器,以帮助它们回应触摸物体时的感受。例如,在机器人的手套中,LIG可以发出信号表示握东西时需要多紧才能使其不会掉下来,但也不会被压扁。

【光粒网综合报道】( 责任编辑:yeyan )
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