給你一支鉛筆和一張紙，你能做什么？畫(huà)畫(huà)，素描，或者寫(xiě)情書(shū)？在科學(xué)家的巧手下，它們不僅僅是普普通通的日常用品，還可以用它們做出許許多多的柔性電子器件。
近日，密蘇里大學(xué)Zheng Yan教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)傳統(tǒng)柔性電子器件成本高、難制造、不易降解等缺點(diǎn)，提出了使用鉛筆和紙制造柔性電子器件的方法，他們制作的器件包括溫度傳感器、電生理傳感器、電化學(xué)汗液傳感器、焦耳加熱元件和濕度發(fā)電機(jī)，利用這些器件可以（1）實(shí)時(shí)、連續(xù)、高精度地記錄身體的各種重要生理信息（如皮膚溫度、心電圖ECG、肌電圖EMG、大腦α、β和θ節(jié)律、瞬時(shí)心率和呼吸頻率），提供程序性的熱刺激；（2）原位分析三種汗液標(biāo)志物（pH、尿酸和葡萄糖），具有很高的靈敏度和選擇性，（3）制作自供電系統(tǒng)，每0.87 cm2面積內(nèi)可以持續(xù)產(chǎn)生480mV的電壓，持續(xù)時(shí)間超過(guò)2 h。此外，他們還開(kāi)發(fā)了一種自給式經(jīng)皮給藥系統(tǒng)，探索了鉛筆和紙?jiān)谔炀€、2D/3D電路、可生物降解電子器件等方向的應(yīng)用。相關(guān)工作在PNAS上發(fā)表。
選擇紙和鉛筆的優(yōu)點(diǎn)在于，紙張通常由天然纖維素纖維制成，可以在6周內(nèi)完全分解，而且成本非常低廉（0.1美分/dm?2），它們的高柔韌性和透氣性有利于在皮膚電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。鉛筆芯是由細(xì)小的石墨粉和各種添加劑組成的，在書(shū)寫(xiě)過(guò)程中，由于鉛筆芯和紙之間的摩擦，石墨顆粒被摩擦掉，導(dǎo)電石墨被轉(zhuǎn)移到紙上，畫(huà)出的石墨圖案可用作導(dǎo)電線和傳感電極，紙張作為柔性支撐基底，此外，將微量的粘合劑噴涂到?jīng)]有石墨的裸露區(qū)域，可以改善皮膚與設(shè)備的粘附性。在該研究中，研究人員選用了9B鉛筆，因?yàn)樗鼈兊氖肯鄬?duì)較高（93%）。紙張則是常見(jiàn)的A4辦公用紙。
文章中做出的器件也是十分酷炫。他們首先畫(huà)了一個(gè)平面偶極子天線，它在無(wú)線電發(fā)射和接收領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。發(fā)現(xiàn)隨著鉛筆畫(huà)石墨層數(shù)的增加，天線的損耗電阻降低了，實(shí)驗(yàn)與理論模擬值也非常接近。另外，由于器件采用了蛇形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和Kirigami剪紙策略，在拉伸狀態(tài)下的電阻變化也非常?。▓D1）。將畫(huà)出的電路和LED燈連接，用橡皮一擦，燈就會(huì)熄滅，再畫(huà)幾筆，燈又重新亮了起來(lái)。
接著他們畫(huà)了一個(gè)溫度傳感器和電生理傳感器。從圖2可以看到，器件電阻對(duì)溫度十分靈敏，還可以作為加熱元件在皮膚上使用。在電生理傳感器的測(cè)試中，器件的接觸阻抗和信噪比與傳統(tǒng)的Ag/AgCl凝膠電極相當(dāng)，測(cè)量的心電、肌電信號(hào)也都十分靈敏。
這個(gè)器件還可以高精度、實(shí)時(shí)的測(cè)量腦電波，持續(xù)監(jiān)測(cè)大腦活動(dòng)對(duì)于研究認(rèn)知行為至關(guān)重要，腦電活動(dòng)可分為5個(gè)頻段：δ波、θ波、α波、β波和γ波，每個(gè)頻段都與不同的精神狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。圖3顯示了受試者三種精神狀態(tài)下信號(hào)強(qiáng)度的明顯差異。
探索還沒(méi)有結(jié)束，作者又開(kāi)發(fā)了基于紙筆的pH、UA和葡萄糖傳感器用于原位汗液生化分析，與生物物理信號(hào)的實(shí)時(shí)測(cè)量相結(jié)合，可以提供人體的健康狀況，器件的穩(wěn)定性、選擇性都十分優(yōu)異，測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)方法十分接近。
利用能量收集裝置可以得到自供電可穿戴設(shè)備。作者通過(guò)電極化手段在材料上形成含氧基團(tuán)濃度梯度，含氧基團(tuán)從環(huán)境中吸收水分子，通過(guò)水解產(chǎn)生氫離子的濃度梯度，在濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下，利用氫離子的擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)發(fā)電。這個(gè)能量收集器(有效器件面積～0.87cm-2)在相對(duì)濕度為～95%的情況下，可以產(chǎn)生高達(dá)～480 mV的持續(xù)開(kāi)路電壓，并持續(xù)2 h以上，基于此作者開(kāi)發(fā)了一種概念性的自供電經(jīng)皮給藥系統(tǒng)。
由此可見(jiàn)，我們身邊許多看似普通的事物，可能背后擁有巨大的應(yīng)用潛力。科學(xué)的探索永無(wú)止境，如果你我能夠處處留心，多觀察，多思考，多實(shí)踐，也許人人都可以成為一名偉大的科學(xué)家。
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https://www.pnas.org/content/early/2020/07/09/2008422117
