近年來，同濟大學物理科學與工程學院納米材料課題組對超黑碳氣凝膠及其熱電子效應進行了一系列的研究。例如其微孔誘導的無角度和頻率依賴的強烈光吸收（ACS Nano，2016, 10, 9123-9128），碳氣凝膠的熱電子耦合增強光催化效應 (MRS.Comm.2018,8,521-526)和熱電子誘導的光熱轉換效應（ACS Appl. Mater. Interfaces 2019,11,42057-42065）以及其本征的負電阻溫度系數(shù)和對超寬帶電磁波（從紫外到微波）的靈敏響應（Carbon,2020,161,590-598）。

近日，受到章魚觸角感光功能的啟發(fā)，該課題組將碳氣凝膠與柔性打印紙結合，采用激光碳化的方法制備了一種可穿戴型傳感器。通過在打印紙增強的間苯二酚-甲醛（RF）氣凝膠上激光打印出中國古代傳統(tǒng)紋飾中的“云雷紋”，得到的納米多孔碳氣凝膠電阻型傳感器可以同時探測溫度（0.19%·° C^-1)、應變（GF=16.7）、濕度，尤其是紅外光 (0.12%·mW^-1)的變化。特別的，這種光響應性能在普通的可穿戴傳感器中并不多見，而章魚觸手上的皮膚則具有感光性。

中國古代的云雷紋均為螺旋形平面圖案（也常被稱為“回形紋”），其中圓形為云紋，方形為雷紋。雷紋圖案起源于新石器時代（公元前2200年的陶罐上就已出現(xiàn)），比西方類似圖案“Greek Key”早近了400年。該研究發(fā)現(xiàn)云雷紋由于具有更長的導電通路和更高的面積占比，展現(xiàn)出比常用的蛇形電阻型傳感器更好的綜合性能。憑借其良好的柔韌性和生物降解性，這種多功能傳感器可以作為一種可感知手勢變化和呼吸的皮膚可穿戴傳感器?？傊?strong>激光打印方法為紙基納米多孔導電材料的制備提供了新思路，進而拓寬了碳氣凝膠在傳感領域的應用。使用云雷紋替代傳統(tǒng)的蛇形紋具有更好的綜合性能，為可穿戴傳感器設計提供了新的方法。此外，受章魚觸角感光特性啟發(fā)，紅外光、溫度以及應變傳感等多種傳感性能的集成賦予人造電子皮膚更廣闊的應用前景。該工作以Nanoporous Carbon Aerogels for Laser-Printed Wearable Sensors為題發(fā)表在ACS Applied Nano Materials期刊中（ACS Appl. Nano Mater.2021, 4, 7, 6796–6804），并被選為補充封面報道。

圖 1 ACS ANM 2021年7月第4期Supplementary Cover 報道

圖 2. (a) 激光打印紙增強氣凝膠傳感器制備過程示意圖。(b) 傳感器進行熱電子增強光熱轉換和電導率增加的機制。(c) 打印紙、紙增強RF氣凝膠和紙增強RF氣凝膠激光碳化區(qū)域的 SEM 圖像和微觀結構示意圖（插圖）。(d) 激光打印紙增強氣凝膠的拉曼光譜。(e) 激光打印紙增強碳氣凝膠的電阻-溫度曲線。(f) 激光打印紙增強碳氣凝膠的漫反射率。

圖 3. (a, b) 分別為在 980 nm 入射激光照射下，隨功率增加，雷紋圖案和“S 形”激光打印RF紙基傳感器的電阻變化。(c) 在三個光開關循環(huán)下50%–10%–3s樣品的電阻變化。(d) 激光打印傳感器在一杯熱水發(fā)出的中紅外光的輻射下產生的電阻變化。

圖 4. (a) 具有固定激光能量密度，不同打印次數(shù)的激光打印傳感器樣品，其電阻變化與彎曲應變的關系比較。(b) 具有固定打印次數(shù)，不同激光能量密度的激光打印傳感器樣品，其電阻變化與彎曲應變的關系比較。(c) 50%-10%-3s樣品，雷紋和蛇形的傳感器圖案的電阻變化與彎曲應變關系比較。(d) 傳感器的電阻隨手指的彎曲和伸展而變化。(e) 在外加電壓下，經(jīng)過傳感器的電流隨著呼吸和屏氣頻率不同而變化。

該論文的第一作者是博士生姬秀潔，通訊作者為杜艾副教授，鐘穎、李辰悅、儲軍軍、邢證、汪宏強、張志華副教授等作者也做出了突出貢獻。該工作受到了國家自然科學基金，國家重點研發(fā)計劃“納米科技”重點專項和上海市特殊人工微結構材料與技術重點實驗室開放課題的支持。