Восстановленный оксид графена почувствовал палец на расстоянии

Индийские физики собрали гибкий носимый датчик близости, работающий за счет перераспределения заряда в пленке восстановленного оксида графена. Такой датчик может почувствовать кожу человека на рекордном расстоянии в 20 сантиметров. Новый датчик можно нанести с помощью переводной татуировки прямо на кожу и по мнению ученых можно использовать для предупреждения нежелательного контакта. Статья опубликована в журнале Advanced Electronic Materials.

Датчики близости реагируют на приближающийся объект за счет изменения индукции или емкости. На сегодняшний день подавляющее большинство датчиков обладают жесткой структурой — первоначально их конструировали для роботов или стационарных поверхностей. Однако их можно было бы использовать и для ношения на одежде — например, для предупреждении нежелательного контакта (особенно в период социального дистанцирования). Попытки сделать гибкий датчик близости уже были: для этого использовали органический кристалл рубрена или металлические волокна (никеля или серебра). Однако на данный момент есть несколько проблем: либо детектируемая дальность слишком мала, либо детектируемый объект должен быть проводником, либо же производство слишком трудоемкое.

Помочь в этом может восстановленный оксид графена. Он уже зарекомендовал себя в носимых датчиках и газовых сенсорах. Ученые уже даже изготовили носимый датчик близости из нанокомпозита восстановленного оксида графена и целлюлозы — однако дальность реакции оставляла желать лучшего.

В этот раз Вайшах Кедамбаймул (Vaishakh Kedambaimoole) с командой исследователей из Индийского научного института и Техасского университета в Остине разработали датчик близости из восстановленного оксида графена, который можно вытатуировать на коже. Для сборки датчика ученые нанесли пленку полидиметилсилоксана на нитроцеллюлозную бумагу, пропитанную оксидом графена. Затем их погружали в раствор диметилформамида на один день для стравления нитроцеллюлозы. После травления пленку оксида графена вылавливали с помощью алюминиевой фольги и подвергали восстановлению в гидразине в течение еще одного дня. В итоге на полученную пленку восстановленного оксида графена напылили золотые контакты, ее инкапсулировали полидиметилсилоксаном и стравили с нее алюминиевую подложку.

Полидиметилсилоксан добавил восстановленному оксиду графена прочности и гибкости, а также ограничил его контакт с влажным воздухом. Такой датчик близости можно носить на любой искривленной поверхности, а из-за его легкости никаких неудобств ношения на теле он не доставит.

В основе чувства приближения лежит трибоэлектрический эффект: незаряженное тело при контакте с другим объектом или при трении об воздух заряжается. При измерении коэффициента Холла ученые выяснили, что в восстановленном оксиде графена основными носителями заряда являются дырки. Если поднести к датчику положительно заряженный объект, то он притянет к себе электроны, что повысит дырочную проводимость и снизит сопротивление. Наоборот же, если поднести к датчику отрицательно заряженный объект, то он будет притягивать к себе дырки, тем самым снижая проводимость и повышая сопротивление. Таким образом объект выступает в роли затвора в полевом транзисторе.

Исследователи изучили, как датчик реагирует на электростатический потенциал, источник которого расположен на высоте в один сантиметр от датчика. При потенциале электростатического поля в восемь киловольт сопротивление упало на треть, а при потенциале в −6 киловольт выросло в два раза. Сенсор показал достаточную воспроизводимость при поле в −2 киловольта после ста циклов включения/выключения поля.

Для изучения влияния подложки ученые сравнивали между собой электронейтральную пластинку и кожу. Исследователи подносили к датчику на нейтральной поверхности электронейтральный металл, отрицательно заряженные пластик и резину, а также положительно заряженный человеческий палец. В случае металла никакого изменения не происходило, пластик и резина повышали сопротивление, а приближающийся палец его понижал.

Максимальное снижение сопротивления составляло приблизительно 1,2 килоома на расстоянии в пять миллиметров, а засечь изменение сопротивления получилось вплоть до 20 сантиметров от датчика. Время реакции датчика на приближение пальца на расстоянии в 5 миллиметров составило 5,4 секунды, при этом восстановление при отдалении пальца занимало 11,7 секунд — такую задержку ученые связывают с попаданием электронов в ловушки на поверхности восстановленного оксида графена и полидиметилсилоксана.

Чтобы проверить носимость своего датчика, авторы статьи нанесли его на кожу с помощью переносной татуировки. На коже изменение сопротивления изменилось из-за того, что электроны уже притянулись к положительно заряженной коже. Теперь приближение положительно заряженного пальца увеличивало сопротивление (то есть выравнивало концентрацию электронов в объеме оксида графена), а отрицательно заряженный пластик уменьшал. Чтобы наглядно продемонстрировать работу своего датчика, исследователи встроили датчик в систему браслета со светодиодами, яркость которых изменяется в зависимости от близости объекта.

Носимые датчики в будущем станут неотъемлемой частью интернета вещей. В прошлом году американские инженеры представили свитер с датчиками, который может измерять температуру в 30 точках и отслеживать пульс и частоту вдохов с помощью акселерометра. А не так давно американские ученые разработали носимый датчик, способный измерять пульс, кровяное давление и концентрацию важных биомаркеров: глюкозы, кофеина, спирта и лактатов.

Артем Моськин