信息中心

NEWS AND INFORMATION

首頁

中心動態(tài)

12

2023

-

06

石墨烯和木質(zhì)素——用木屑制作傳感器的藝術(shù)

作者:

由于人們越來越關(guān)注混凝土對環(huán)境的影響，木材在建筑中的使用重新浮出水面。然而，木材會從周圍吸收水分，導(dǎo)致腐爛、發(fā)霉和其他類型的損壞。僅在瑞典，每年修復(fù)建筑物水損的費用就超過 5 億歐元。為了解決這個問題，瑞典石墨烯旗艦聯(lián)合成員研究所 (RISE) 的研究人員開發(fā)了一種嵌入木材中的石墨烯傳感器，可以檢測環(huán)境濕度和木材內(nèi)部的水分。

　RISE 協(xié)調(diào)數(shù)字纖維素中心(DCC)旨在通過可持續(xù)電子產(chǎn)品和循環(huán)經(jīng)濟使基于森林的材料和產(chǎn)品成為數(shù)字世界的一部分。“石墨烯濕度和水分傳感器確實展示了電子產(chǎn)品的可持續(xù)發(fā)展方式，并引起了 DCC 學(xué)術(shù)界和工業(yè)界合作伙伴的高度關(guān)注，”位于 RISE 的 DCC 中心主任 Ursula Hass 說。

　　在這種“木質(zhì)素學(xué)”方法中，該團(tuán)隊使用由木質(zhì)素（一種在許多植物的細(xì)胞壁中發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜有機聚合物，是造紙和紙漿工業(yè)的副產(chǎn)品）和纖維素組成的可印刷油墨對傳感器進(jìn)行圖案化，后者被轉(zhuǎn)化為石墨或用激光束照射石墨烯。

　　在石墨化過程之后，這些傳感器能夠在 25°C 下測量不同類型木材中 10% 至 90% 的濕度水平。在云杉和松木上制造的傳感器表現(xiàn)出高靈敏度，濕度每增加 1% 的值分別為 2.6 和 0.74 MΩ。最后，研究人員表明，可以通過連接的計算機遠(yuǎn)程讀取這些傳感器收集的濕度變化，或者使用簡單的 LED 系統(tǒng)進(jìn)行可視化。

在市售云杉木上制造的濕度傳感器。a) 木材首先涂上含有木質(zhì)素和纖維素聚合物的水性油墨，形狀為云杉樹。隨后使用CO2激光從油墨涂層中生產(chǎn)出兩個碳電極，同時在電極之間留下一些未接觸的油墨，用作濕度感應(yīng)的吸附層。b) 兩個安裝在木質(zhì)表面上的傳感器，一個從正面密封，另一個對周圍環(huán)境保持開放。

　　RISE 研究人員還展示了木質(zhì)素石墨化電子元件，例如電阻器和摩擦電能量收集器，涉及類似的“木質(zhì)印刷”過程。

　　“我們小組的研究為開發(fā)基于生物石墨烯的傳感器、能量收集器以及基于木材和紙張等可持續(xù)和可回收材料的電子設(shè)備和電路鋪平了道路。通過利用這些可以丟棄在紙箱中的材料，我們希望消除對電子垃圾箱的需求，”來自 RISE 的 Mohammad Yusuf Mulla 解釋道。

　　除了木材上的濕度傳感器外，RISE 研究人員還與 Lignin Industries AB 和 Bloom Renewables SA 合作，致力于開發(fā)可以檢測壓力和機械輸入的新型木質(zhì)素材料。例如，這些“智能材料”可用于通過彎曲或敲擊而不是按下按鈕來操作開/關(guān)開關(guān)和音量控制。

　　該團(tuán)隊通過將木質(zhì)素化學(xué)改性為熱固性或熱塑性配方來制備基于木質(zhì)素的智能材料。這些復(fù)合材料中添加了BaTiO3和還原氧化石墨烯等功能性添加劑。當(dāng)外力作用于BaTiO3晶體時，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲，導(dǎo)致其正負(fù)電荷分離，從而產(chǎn)生電場。與此同時，石墨烯——一種出色的導(dǎo)電體——提高了木質(zhì)素基復(fù)合材料的導(dǎo)電性，從而實現(xiàn)了電荷的有效轉(zhuǎn)移。與鉛基商業(yè)壓電材料相比，木質(zhì)素基材料是更安全、更可持續(xù)的觸摸和壓力傳感器添加劑。

　　RISE 的 Abhilash Sugunan 說：“多虧了石墨烯等新型材料，我們設(shè)想未來一代的材料可以從木材而不是石油中提取，并用我們的手指輕敲就能做有趣的事情。”

信息來源：Graphene Flagship

“石墨烯聯(lián)盟”視頻號里面，有備受矚目的“烯”世奇材，有驚喜連連的大咖開講，有生動有趣的科普視頻，甚至還有不定期的“福利”亂入...歡迎大家掃碼關(guān)注我們的視頻號，將滿滿的干貨收入囊中~