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12

2023

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06

石墨烯和木质素——用木屑制作传感器的艺术

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由于人们越来越关注混凝土对环境的影响,木材在建筑中的使用重新浮出水面。然而,木材会从周围吸收水分,导致腐烂、发霉和其他类型的损坏。仅在瑞典,每年修复建筑物水损的费用就超过 5 亿欧元。为了解决这个问题,瑞典石墨烯旗舰联合成员研究所 (RISE) 的研究人员开发了一种嵌入木材中的石墨烯传感器,可以检测环境湿度和木材内部的水分。

 RISE 协调数字纤维素中心(DCC)旨在通过可持续电子产品和循环经济使基于森林的材料和产品成为数字世界的一部分。“石墨烯湿度和水分传感器确实展示了电子产品的可持续发展方式,并引起了 DCC 学术界和工业界合作伙伴的高度关注,”位于 RISE 的 DCC 中心主任 Ursula Hass 说。

  在这种“木质素学”方法中,该团队使用由木质素(一种在许多植物的细胞壁中发现的复杂有机聚合物,是造纸和纸浆工业的副产品)和纤维素组成的可印刷油墨对传感器进行图案化,后者被转化为石墨或用激光束照射石墨烯。

  在石墨化过程之后,这些传感器能够在 25°C 下测量不同类型木材中 10% 至 90% 的湿度水平。在云杉和松木上制造的传感器表现出高灵敏度,湿度每增加 1% 的值分别为 2.6 和 0.74 MΩ。最后,研究人员表明,可以通过连接的计算机远程读取这些传感器收集的湿度变化,或者使用简单的 LED 系统进行可视化。

在市售云杉木上制造的湿度传感器。a) 木材首先涂上含有木质素和纤维素聚合物的水性油墨,形状为云杉树。随后使用CO2激光从油墨涂层中生产出两个碳电极,同时在电极之间留下一些未接触的油墨,用作湿度感应的吸附层。b) 两个安装在木质表面上的传感器,一个从正面密封,另一个对周围环境保持开放。

 

  RISE 研究人员还展示了木质素石墨化电子元件,例如电阻器和摩擦电能量收集器,涉及类似的“木质印刷”过程。

  “我们小组的研究为开发基于生物石墨烯的传感器、能量收集器以及基于木材和纸张等可持续和可回收材料的电子设备和电路铺平了道路。通过利用这些可以丢弃在纸箱中的材料,我们希望消除对电子垃圾箱的需求,”来自 RISE 的 Mohammad Yusuf Mulla 解释道。

  除了木材上的湿度传感器外,RISE 研究人员还与 Lignin Industries AB 和 Bloom Renewables SA 合作,致力于开发可以检测压力和机械输入的新型木质素材料。例如,这些“智能材料”可用于通过弯曲或敲击而不是按下按钮来操作开/关开关和音量控制。

  该团队通过将木质素化学改性为热固性或热塑性配方来制备基于木质素的智能材料。这些复合材料中添加了BaTiO3和还原氧化石墨烯等功能性添加剂。当外力作用于BaTiO3晶体时,晶体结构发生扭曲,导致其正负电荷分离,从而产生电场。与此同时,石墨烯——一种出色的导电体——提高了木质素基复合材料的导电性,从而实现了电荷的有效转移。与铅基商业压电材料相比,木质素基材料是更安全、更可持续的触摸和压力传感器添加剂。

  RISE 的 Abhilash Sugunan 说:“多亏了石墨烯等新型材料,我们设想未来一代的材料可以从木材而不是石油中提取,并用我们的手指轻敲就能做有趣的事情。”

 

信息来源:Graphene Flagship

 

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