柔性/可拉伸氣體傳感器在智能物聯網革命中的關鍵作用，為工業安全、污染監測和個性化醫療提供了獨特的應用機遇。具有3D微孔結構的激光誘導石墨烯（LIG）泡沫可以通過對商用聚酰亞胺膜（Kapton）或其他含碳材料進行激光刻劃來簡單地制造，以構建柔性/可拉伸的氣體傳感平臺。激光誘導石墨烯的高比表面積、優異的氣體滲透性和低成本制造工藝，使氣體傳感器具有優異的性能參數。

半導體氣敏納米材料的合成大致可分為物理或化學方法。常見的物理方法包括濺射、電子束蒸發、球磨、激光輔助合成和電噴霧等。常見的化學方法有溶膠-凝膠法、水熱法、共沉淀、化學氣相沉積和微乳化等。然而，這些方法都有其局限性。

據麥姆斯咨詢報道，美國賓夕法尼亞州立大學和中國電子科技大學的研究人員改進了過去的滴鑄法（使用移液器將材料逐個滴注到襯底上），利用原位激光輔助制造方案，開發了一種柔性石墨烯氣體傳感器制造工藝。該研究成果已經以“In situ laser-assisted synthesis and patterning of graphene foam composites as a flexible gas sensing platform”為題，發表于近期的Chemical Engineering Journal期刊。

柔性氣體傳感器可以用作醫療診斷工具，通過檢測呼吸或汗液中的氧氣或二氧化碳水平來診斷人體健康狀況，它們還可以通過檢測氣體、生物分子和化學物質來監測室內外環境中的空氣質量。

該論文通訊作者、美國賓夕法尼亞州立大學工程學院程寰宇（Huanyu “Larry” Cheng）教授表示：“使用滴鑄法，氣體傳感器的各個氣敏納米材料部分必須單獨合成，然后將它們整合，這在后續組織方面很有挑戰性，需要很長時間，而且成本高昂。原位法可以一次直接合成氣敏納米材料，而激光加速了這一過程。”

在這個過程中，激光將氣敏納米材料直接刻寫到多孔石墨烯泡沫襯底的頂部。襯底材料使氣體傳感器在應用于皮膚或其它物體時具有彈性和柔韌性。

光線代表激光，將氣敏納米材料刻寫在石墨烯泡沫襯底上，用于檢測空氣和汗液中的氣體。

據程寰宇教授介紹，該方法為使用不同的前體或納米材料提供了可能，并將它們以不同的比例和成分混合。此前，研究人員使用氧化石墨烯和二硫化鉬制造氣體傳感器敏感材料。利用新方法，研究人員測試了另外四類材料，包括過渡金屬二硫屬化物、金屬氧化物、摻雜貴金屬的金屬氧化物以及復合金屬氧化物。

“特定的納米材料可以幫助我們感知不同的生物標志物或氣體，所以嘗試并利用不同的材料非常重要。”程寰宇教授說，“例如，一種氣敏納米材料通常只能檢測一種目標氣體分子。有了更多的材料選擇，就有潛力檢測更多分子，從而提高傳感器的感知能力。”

利用數種納米材料，研究人員構建了一個由多個并排放置的小型氣體傳感器組成的陣列。程寰宇教授說，該陣列的感知能力可以比作人類的鼻子。

程寰宇教授說：“鼻子進化到用數百萬個嗅覺細胞檢測數百萬種氣味。以同樣的方式，每個氣體傳感器敏感材料都能夠檢測到不同的化學物質。”

此外，通過新的傳感器設計，研究團隊不再需要為氣體傳感器設計單獨的熱源，進一步降低了器件制造的復雜性。新設計將氣敏納米材料集成在單線多孔石墨烯泡沫上，而舊設計是將納米材料填充電極之間的間隙。單線多孔石墨烯泡沫中的電阻產生焦耳熱以進行自加熱。

其研究結果是產生具有多種應用的復雜氣體傳感器，包括監測并警告用戶：工廠氣體組分的快速上升，例如工業現場；氣體隨時間的累積，例如環境污染監測。

未來，研究人員計劃通過編程納米復合材料來靶向特定氣體或識別復雜混合物中的多種氣體，以提高氣體傳感器的檢測性能。

審核編輯：劉清