一支铅笔一张纸！发了一篇顶刊《PNAS》|用 “铅笔”和“纸”绘制高精度柔性电子器件

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给你一支铅笔和一张纸，你能做什么？画画，素描，或者写情书？在科学家的巧手下，它们不仅仅是普普通通的日常用品，还可以用它们做出许许多多的柔性电子器件。

近日，密苏里大学Zheng Yan教授团队针对传统柔性电子器件成本高、难制造、不易降解等缺点，提出了使用铅笔和纸制造柔性电子器件的方法，他们制作的器件包括温度传感器、电生理传感器、电化学汗液传感器、焦耳加热元件和湿度发电机，利用这些器件可以（1）实时、连续、高精度地记录身体的各种重要生理信息（如皮肤温度、心电图ECG、肌电图EMG、大脑α、β和θ节律、瞬时心率和呼吸频率），提供程序性的热刺激；（2）原位分析三种汗液标志物（pH、尿酸和葡萄糖），具有很高的灵敏度和选择性，（3）制作自供电系统，每0.87 cm²面积内可以持续产生480mV的电压，持续时间超过2 h。此外，他们还开发了一种自给式经皮给药系统，探索了铅笔和纸在天线、2D/3D电路、可生物降解电子器件等方向的应用。相关工作在PNAS上发表。

选择纸和铅笔的优点在于，纸张通常由天然纤维素纤维制成，可以在6周内完全分解，而且成本非常低廉（0.1美分/dm⁻²），它们的高柔韧性和透气性有利于在皮肤电子产品中的应用。铅笔芯是由细小的石墨粉和各种添加剂组成的，在书写过程中，由于铅笔芯和纸之间的摩擦，石墨颗粒被摩擦掉，导电石墨被转移到纸上，画出的石墨图案可用作导电线和传感电极，纸张作为柔性支撑基底，此外，将微量的粘合剂喷涂到没有石墨的裸露区域，可以改善皮肤与设备的粘附性。在该研究中，研究人员选用了9B铅笔，因为它们的石墨含量相对较高（93%）。纸张则是常见的A4办公用纸。

文章中做出的器件也是十分酷炫。他们首先画了一个平面偶极子天线，它在无线电发射和接收领域有着广泛的应用。发现随着铅笔画石墨层数的增加，天线的损耗电阻降低了，实验与理论模拟值也非常接近。另外，由于器件采用了蛇形网状结构和Kirigami剪纸策略，在拉伸状态下的电阻变化也非常小（图1）。将画出的电路和LED灯连接，用橡皮一擦，灯就会熄灭，再画几笔，灯又重新亮了起来。

图1 用铅笔画在纸上的电子器件

接着他们画了一个温度传感器和电生理传感器。从图2可以看到，器件电阻对温度十分灵敏，还可以作为加热元件在皮肤上使用。在电生理传感器的测试中，器件的接触阻抗和信噪比与传统的Ag/AgCl凝胶电极相当，测量的心电、肌电信号也都十分灵敏。

图2 热传感器与电生理传感器的应用

这个器件还可以高精度、实时的测量脑电波，持续监测大脑活动对于研究认知行为至关重要，脑电活动可分为5个频段：δ波、θ波、α波、β波和γ波，每个频段都与不同的精神状态相关联。图3显示了受试者三种精神状态下信号强度的明显差异。

图3 脑电信号的测量

探索还没有结束，作者又开发了基于纸笔的pH、UA和葡萄糖传感器用于原位汗液生化分析，与生物物理信号的实时测量相结合，可以提供人体的健康状况，器件的稳定性、选择性都十分优异，测量结果与传统方法十分接近。

图4 汗液分析仪器

利用能量收集装置可以得到自供电可穿戴设备。作者通过电极化手段在材料上形成含氧基团浓度梯度，含氧基团从环境中吸收水分子，通过水解产生氢离子的浓度梯度，在浓度梯度的驱动下，利用氢离子的扩散实现发电。这个能量收集器(有效器件面积∼0.87cm^-2)在相对湿度为∼95%的情况下，可以产生高达∼480 mV的持续开路电压，并持续2 h以上，基于此作者开发了一种概念性的自供电经皮给药系统。

图5 湿度能量收集装置及给药系统

由此可见，我们身边许多看似普通的事物，可能背后拥有巨大的应用潜力。科学的探索永无止境，如果你我能够处处留心，多观察，多思考，多实践，也许人人都可以成为一名伟大的科学家。

全文链接：

https://www.pnas.org/content/early/2020/07/09/2008422117

来源：高分子科学前沿

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