近年来，同济大学物理科学与工程学院纳米材料课题组对超黑碳气凝胶及其热电子效应进行了一系列的研究。例如其微孔诱导的无角度和频率依赖的强烈光吸收（ACS Nano，2016, 10, 9123-9128），碳气凝胶的热电子耦合增强光催化效应 (MRS.Comm.2018,8,521-526)和热电子诱导的光热转换效应（ACS Appl. Mater. Interfaces 2019,11,42057-42065）以及其本征的负电阻温度系数和对超宽带电磁波（从紫外到微波）的灵敏响应（Carbon,2020,161,590-598）。

近日，受到章鱼触角感光功能的启发，该课题组将碳气凝胶与柔性打印纸结合，采用激光碳化的方法制备了一种可穿戴型传感器。通过在打印纸增强的间苯二酚-甲醛（RF）气凝胶上激光打印出中国古代传统纹饰中的“云雷纹”，得到的纳米多孔碳气凝胶电阻型传感器可以同时探测温度（0.19%·° C^-1)、应变（GF=16.7）、湿度，尤其是红外光 (0.12%·mW^-1)的变化。特别的，这种光响应性能在普通的可穿戴传感器中并不多见，而章鱼触手上的皮肤则具有感光性。

中国古代的云雷纹均为螺旋形平面图案（也常被称为“回形纹”），其中圆形为云纹，方形为雷纹。雷纹图案起源于新石器时代（公元前2200年的陶罐上就已出现），比西方类似图案“Greek Key”早近了400年。该研究发现云雷纹由于具有更长的导电通路和更高的面积占比，展现出比常用的蛇形电阻型传感器更好的综合性能。凭借其良好的柔韧性和生物降解性，这种多功能传感器可以作为一种可感知手势变化和呼吸的皮肤可穿戴传感器。总之，激光打印方法为纸基纳米多孔导电材料的制备提供了新思路，进而拓宽了碳气凝胶在传感领域的应用。使用云雷纹替代传统的蛇形纹具有更好的综合性能，为可穿戴传感器设计提供了新的方法。此外，受章鱼触角感光特性启发，红外光、温度以及应变传感等多种传感性能的集成赋予人造电子皮肤更广阔的应用前景。该工作以Nanoporous Carbon Aerogels for Laser-Printed Wearable Sensors为题发表在ACS Applied Nano Materials期刊中（ACS Appl. Nano Mater.2021, 4, 7, 6796–6804），并被选为补充封面报道。

图 1 ACS ANM 2021年7月第4期Supplementary Cover 报道

图 2. (a) 激光打印纸增强气凝胶传感器制备过程示意图。(b) 传感器进行热电子增强光热转换和电导率增加的机制。(c) 打印纸、纸增强RF气凝胶和纸增强RF气凝胶激光碳化区域的 SEM 图像和微观结构示意图（插图）。(d) 激光打印纸增强气凝胶的拉曼光谱。(e) 激光打印纸增强碳气凝胶的电阻-温度曲线。(f) 激光打印纸增强碳气凝胶的漫反射率。

图 3. (a, b) 分别为在 980 nm 入射激光照射下，随功率增加，雷纹图案和“S 形”激光打印RF纸基传感器的电阻变化。(c) 在三个光开关循环下50%–10%–3s样品的电阻变化。(d) 激光打印传感器在一杯热水发出的中红外光的辐射下产生的电阻变化。

图 4. (a) 具有固定激光能量密度，不同打印次数的激光打印传感器样品，其电阻变化与弯曲应变的关系比较。(b) 具有固定打印次数，不同激光能量密度的激光打印传感器样品，其电阻变化与弯曲应变的关系比较。(c) 50%-10%-3s样品，雷纹和蛇形的传感器图案的电阻变化与弯曲应变关系比较。(d) 传感器的电阻随手指的弯曲和伸展而变化。(e) 在外加电压下，经过传感器的电流随着呼吸和屏气频率不同而变化。

该论文的第一作者是博士生姬秀洁，通讯作者为杜艾副教授，钟颖、李辰悦、储军军、邢证、汪宏强、张志华副教授等作者也做出了突出贡献。该工作受到了国家自然科学基金，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项和上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室开放课题的支持。