制造过程中激光诱导的石墨烯泡沫气体传感器的图形表示。光线代表激光，它将纳米材料刻在石墨烯泡沫基板上，用于检测空气和汗液中的气体。Credit: Cheng Group. All Rights Reserved.
宾夕法尼亚州大学公园 – 当用作可穿戴医疗设备时，弹性，灵活的气体传感器可以通过检测呼吸或汗液中的氧气或二氧化碳水平来识别健康状况或问题。它们还可用于通过检测气体、生物分子和化学物质来监测室内或室外环境中的空气质量。但是制造使用纳米材料制造的设备可能是一个挑战。
宾夕法尼亚州立大学的研究人员最近通过原位激光辅助制造方法改进了他们的气体传感器制造工艺，改进了他们以前的滴铸方法，或使用移液器将材料一个接一个地滴到基板上。他们在化学工程杂志上发表了他们的结果。
“使用滴铸，你必须单独合成传感器的每个部分，然后将它们集成在一起，这在逻辑上具有挑战性，需要很长时间而且价格昂贵，”通讯作者Huanyu “Larry” Cheng，James L. Henderson，Jr.宾夕法尼亚州立大学工程学院工程科学与力学纪念副教授说。“原位方法允许在一个地方直接合成材料，激光加快了这一过程。
在此过程中，激光将纳米材料直接刻在多孔石墨烯泡沫基材的顶部。基材使传感器在应用于皮肤或物体时具有弹性和柔韧性。
根据Cheng的说法，该方法为使用不同的前体或纳米材料，并将它们与不同的比例和组分混合提供了机会。此前，研究人员使用氧化石墨烯和二硫化钼来制造传感器。使用新方法，研究人员测试了另外四类材料，包括过渡金属硫族化合物，金属氧化物，贵金属掺杂金属氧化物和复合金属氧化物。
“一种特定的纳米材料使我们能够感知不同的生物标志物或气体，因此对我们来说，获得不同的材料非常重要，”Cheng说。“例如，一种纳米材料通常只能检测一个目标气体分子。通过多种选择，您可以潜在地检测更多分子，从而提高传感能力。
使用几种纳米材料，研究人员创建了一个由几个并排放置的小传感器组成的阵列。该阵列的能力可以与人类的鼻子相提并论，Cheng说。
“鼻子进化到使用数百万个细胞检测数百万种气味，”Cheng说。“以同样的方式，每个传感器都能够检测到不同的化学物质或颗粒。
通过新的传感器设计，研究人员消除了对单独热源的需求，进一步降低了制造设备的复杂性。新设计将气敏纳米材料集成在单行多孔石墨烯泡沫上，与旧设计相比，纳米材料填充电极之间的间隙。单行多孔石墨烯泡沫中的电阻引起焦耳热以进行自热。
其结果是一个复杂的传感器，具有多种应用，包括监测和提醒用户气体的快速增加，例如在工业现场，或随着时间的推移气体的积累，例如在污染的情况下。
未来，研究人员计划通过对纳米材料复合材料进行编程来提高传感器的能力，以靶向特定气体或识别复杂混合物中的多种气体。
除Cheng外，合著者还包括宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系的赵江，丁晓红，刘尚斌，朱佳和Yuyan Gao;宁毅，宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系;亚历山大·C·卡斯顿盖，宾夕法尼亚州立大学化学系;和Lauren D. Zarzar，宾夕法尼亚州立大学化学系和材料科学与工程系。
美国国立卫生研究院、国家科学基金会和宾夕法尼亚州立大学支持这项工作。
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