石墨烯能助聾啞人“說話”?石墨烯的魔力是什麼

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據新華社北京3月8日電(記者孫琪)石墨烯能夠化身“傳聲筒”,幫助聾啞人“開口說話”。由清華大學微電子所任天令教授課題組發明的“智能石墨烯人工喉”,有望在未來解決聾啞人的“說話”難題。

日前,任天令課題組在《自然通訊》上發表了題為《具有聲音感知能力的智能石墨烯人工喉》的研究論文,利用多孔石墨烯材料的優勢,製造出一種收發同體、適合穿戴的集成聲學器件。當“人工喉”佩戴者大聲發出低吟時,人工喉會感知喉嚨振動狀態並發出預先設定的聲音,當佩戴者變換低吟的長短、聲調時,人工喉發出的聲音也會隨之對應發生明顯變化。

石墨烯(Graphene)是從石墨中剝離出來、由碳原子組成的隻有一層原子厚度的二維晶體。2004年,英國曼徹斯特大學的兩位科學家首次在實驗室中得到石墨烯,由於其電、熱、力學性能十分優異,被廣泛應用於各個領域,包括製作各種新型電子設備和塑料添加劑等。

石墨烯具有完美的二維晶體結構,晶格是由六個碳原子圍成的六邊形,厚度為一個原子層。科學家使用膠帶、化學試劑等剝離石墨層這種“自大到小”的方法得到石墨烯材料,但這些方法顯然不適合用於生產更大面積的石墨烯材料。因此需要考慮分解含碳分子這種“從小到大”的方法,比如通過分解熱金屬(通常是銅)表面的甲烷來合成石墨烯。研究人員在一項最新研究中掌握了利用類似於剪紙的方法來製備石墨烯。

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白光顯微鏡下的"剪紙"石墨烯圖像

剪紙藝術(Kirigami)是最古老的民間藝術之一,其形式漂亮,結構複雜,給人以視覺藝術享受。很多人小時候都接觸過剪紙藝術,比如製作紙狀的雪花。石墨烯和紙一樣,都可以折疊並產生褶皺,但不能過度拉伸。

研究人員使用黃金墊作為手柄,首先使用紅外激光器對石墨烯薄膜上的黃金墊施加壓力,將石墨烯弄皺,然後對產生的位移進行測量,測量結果可以被用來計算石墨烯層的彈力性能。經過分析,研究人員發現起皺石墨烯的力學性能得到提升,正如揉皺的紙比光滑的紙韌性更強,事實上正是這樣的機械相似性,使研究人員能夠把紙模型的方法應用於石墨烯製備。研究人員表示,以光刻技術作“剪刀”可以製作出一系列彈簧狀、鉸鏈狀的可伸縮石墨烯晶體管。

拉伸材料通常會造成電阻改變,而這種可伸縮晶體管電源兩極為石墨烯彈性結構,即使進行多次拉伸,也不會發生明顯的電阻變化。這種特性是由石墨烯的晶格結構決定的,在彈性結構伸展過程中,其晶體結構不會產生太大的變化。下一步研究人員將升級剪紙設備,實現不直接接觸設備就能移動或折疊石墨烯的目的,比如使用磁性材料(如鐵)取代黃金墊,這樣就可以在磁場中操縱石墨烯進行扭曲等更複雜運動。這項技術可以用來製造對光、磁場和溫度產生感應的設備。該研究成果開辟了的石墨烯製備新途徑,隨著人們對靈活可穿戴電子產品的需求日益增長,可伸縮石墨烯晶體管的應用必然會引起廣泛關注。

可伸縮電極也可以用來製造靈活一體性的電子元件和傳感器,植入合成機器人或人體假肢的皮膚內,也可以用於製成實時健康監測服這一最高級別的個人醫療保健產品。

(本文內容彙編於:科學之家公眾號)

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