制造過程中激光誘導(dǎo)的石墨烯泡沫氣體傳感器的圖形表示。光線代表激光，它將納米材料刻在石墨烯泡沫基板上，用于檢測空氣和汗液中的氣體。來源：程氏集團

當用作可穿戴醫(yī)療設(shè)備時，彈性、靈活的氣體傳感器可以通過檢測呼吸或汗液中的氧氣或二氧化碳水平來識別健康狀況或問題。它們還可用于通過檢測氣體、生物分子和化學(xué)物質(zhì)來監(jiān)測室內(nèi)或室外環(huán)境中的空氣質(zhì)量。但是制造使用納米材料制造的設(shè)備可能是一個挑戰(zhàn)。

賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員通過原位激光輔助制造方法改進了他們的氣體傳感器制造工藝，改進了他們以前的滴鑄方法，或使用移液器將材料一個接一個地滴到基板上。他們在化學(xué)工程雜志上發(fā)表了他們的結(jié)果。

“使用滴鑄，你可以單獨合成傳感器的每個部分，然后將它們集成在一起，這在邏輯上具有挑戰(zhàn)性，需要很長時間而且價格昂貴，”通訊作者Huanyu “Larry” Cheng，James L. Henderson，Jr.賓夕法尼亞州立大學(xué)工程學(xué)院工程科學(xué)與力學(xué)紀念副教授說�！霸�位方法允許在一個地方直接合成材料，激光加快了這一過程。

在此過程中，激光將納米材料直接刻在多孔石墨烯泡沫基材的頂部。基材使傳感器在應(yīng)用于皮膚或物體時具有彈性和柔韌性。

根據(jù)Cheng的說法，該方法為使用不同的前體或納米材料，并將它們與不同的比例和組分混合提供了機會。此前，研究人員使用氧化石墨烯和二硫化鉬來制造傳感器。使用新方法，研究人員測試了另外四類材料，包括過渡金屬硫族化合物，金屬氧化物，貴金屬摻雜金屬氧化物和復(fù)合金屬氧化物。

“一種特定的納米材料使我們能夠感知不同的生物標志物或氣體，因此對我們來說，獲得不同的材料非常重要，”Cheng說�！袄�如，一種納米材料通常只能檢測一個目標氣體分子。通過多種選擇，您可以潛在地檢測更多分子，從而提高傳感能力。

使用幾種納米材料，研究人員創(chuàng)建了一個由幾個并排放置的小傳感器組成的陣列。該陣列的能力可以與人類的鼻子相提并論，Cheng說。

“鼻子進化到使用數(shù)百萬個細胞檢測數(shù)百萬種氣味，”Cheng說�！耙酝瑯拥姆绞�，每個傳感器都能夠檢測到不同的化學(xué)物質(zhì)或顆粒。

通過新的傳感器設(shè)計，研究人員消除了對單獨熱源的需求，進一步降低了制造設(shè)備的復(fù)雜性。新設(shè)計將氣敏納米材料集成在單行多孔石墨烯泡沫上，與舊設(shè)計相比，納米材料填充電極之間的間隙。單行多孔石墨烯泡沫中的電阻引起焦耳熱以進行自熱。

其結(jié)果是一個復(fù)雜的傳感器，具有多種應(yīng)用，包括監(jiān)測和提醒用戶氣體的快速增加，例如在工業(yè)現(xiàn)場，或隨著時間的推移氣體的積累，例如在污染的情況下。

未來，研究人員計劃通過對納米材料復(fù)合材料進行編程來提高傳感器的能力，以靶向特定氣體或識別復(fù)雜混合物中的多種氣體。