重大/清华/北科大《Carbon》：Nomex纸基双面激光诱导石墨烯，用于多功能人机界面

1成果简介 

　　在万物互联的必然趋势推动下，人机交互技术逐渐渗透到人们的日常生活中。捕捉人类行为的接收设备和提供机器反馈的响应设备是人机界面的关键组成部分。虽然由于材料特性和设备结构的限制，以组织良好的方式集成接收和响应设备是一个巨大的挑战。本文，重庆大学Guanya Wang、北京科技大学陶璐琪、清华大学任天令等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“Nomex paper-based double-sided laser-induced graphene for multifunctional human-machine interface”的论文，研究在Nomex 纸上的形成激光诱导石墨烯，并基于其压阻和热声效应提出了一种有效的交互策略。通过简单地组装三层双面激光定制的Nomex纸来实现接收指令（压力感应能力）和提供反馈（发声能力）的功能集成。该集成器件不仅对类似于轻柔手指按压（约10kPa）的压力具有灵敏的响应（约50ms响应时间），而且可以发出具有更大声音的高质量声音信号压力水平（约70分贝在1W/cm2功率密度）。此外，还展示了两个概念验证演示，即按音频垫和响应命令的耳机，以证实信息交换活动的可行性。

2图文导读  

图1。这项工作中概念的示意图。

图2。原始和激光划刻的Nomex纸的特征

图3。不同激光参数制备的Nom.-LIG和Nom.-DSLIG的特性

图4。用于接收行为指令的压阻性能评估。

图5。用于反馈直觉信息的热声性能评估。

图6。基于Nom.-DSLIG的HMI演示。

3小结 

　　通过研究直接激光在Nomex纸上的照射，发现经过两次激光划线后可以生成图案化的石墨烯层。通过降低激光扫描速率或增加激光功率可以有效地提高它们的导电性和质量。此外，对于通过激光在Nomex纸的两面划线形成的夹层结构，当激光功率提高到一定程度时，可以在外层Nom.-LIG层之间形成导电通路。压阻和热声效应也被系统地探索为接收指令和提供反馈的功能基础。结果表明，PCP-Nom-DSLIG 可以作为一个有效的敏感层来检测高于某个阈值的压力，而 NCP-Nom-LIG 可用作声源以产生具有更高声压级的所需声波。随后，针对HMI应用提出了具有良好压力传感和发声能力的多功能设备，该设备通过组装三层具有三种激光功率的Nom.-DSLIG来实现。这项工作为在单个设备中开发多功能集成铺平了新的道路。尤其是Nom.-DSLIG的外层LIG层之间的不同导电特性，可以通过简单的调节激光功率来获得，这意味着我们可以根据需要建立模块层之间的电连接关系。因此，作者相信Nom.-DSLIG在其他先进电子产品中也有巨大的应用前景。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.03.026

信息来源：公众号【材料分析与应用】

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。