Sträcker och vrider de ultrakänsliga töjningssensorerna. Kredit:University of Sussex
Fysiker har skapat den mest känsliga töjningssensorn som någonsin gjorts, kan upptäcka en fjäders beröring.
Sensorn, utvecklad av Materials Physics Group vid University of Sussex, kan sträcka upp till 80 gånger högre töjning än töjningsmätare som för närvarande finns på marknaden och visa motståndsförändringar 100 gånger högre än de känsligaste materialen i forskningsutveckling.
Forskargruppen tror att sensorerna kan ge nya nivåer av känslighet för bärbar teknik som mäter patienters vitala tecken och till system som övervakar byggnader och broars strukturella integritet.
Marcus O'Mara, från School of Mathematical and Physical Sciences vid University of Sussex, sa:""Nästa våg av spänningsavkänningsteknologi använder elastiska material som gummi genomsyrat av ledande material som grafen eller silvernanopartiklar, och har varit under utveckling i över ett decennium nu.
"Vi tror att dessa sensorer är ett stort steg framåt. Jämfört med både linjära och icke-linjära töjningssensorer som refereras till i den vetenskapliga litteraturen, våra sensorer uppvisar den största absoluta förändringen i motstånd som någonsin rapporterats."
Alan Dalton, Professor i experimentell fysik vid University of Sussex, sa:"Denna lovande teknik kan visa sig vara särskilt användbar inom etablerade områden som sjukvård, övervakning av sportprestanda och snabbt växande områden som mjuk robotik.
Scanning Electron Microscopy (SEM) Bild av G-kulor under hög förstoring. Kredit:University of Sussex
"Vår forskning har utvecklats billigt, Skalbara hälsoövervakningsenheter som kan kalibreras för att mäta allt från mänskliga ledrörelser till vitalövervakning. Flera enheter kan användas över hela kroppen på en patient, ansluten trådlöst och kommunicerar tillsammans för att ge en live, mobil hälsodiagnostik till en bråkdel av den nuvarande kostnaden."
Den nya tidningen, publiceras i tidskriften Avancerade funktionella material , beskriver processen för att införliva stora mängder grafen nanoark i en PDMS-matris i en strukturerad, kontrollerbart sätt som resulterar i utmärkta elektromekaniska egenskaper.
Författarna säger att metoden har potential att utvidgas till ett brett utbud av tvådimensionella skiktade material och polymermatriser. Sensorerna levererar kraftigt förbättrad konduktivitet vid alla uppmätta belastningsnivåer utan uppenbar perkolationströskel.
Kommersiella mätare lider av relativt låg känslighet och töjningsintervall, med gauge-faktorer från 2-5 och maximala töjningar på 5 % töjning eller mindre, vilket resulterar i att motståndet ökar med mindre än 25 % och förhindrar avkänning av hög belastning som krävs för övervakning av kroppsrörelser.
De nya sensorerna kan detektera spänningar mindre än 0,1 %, på grund av deras högre gauge-faktor på ~20, och upp till 80 % belastning, där det exponentiella svaret leder till att motståndet ändras med en faktor på mer än en miljon.
Detta möjliggör både högkänslig lågbelastningsavkänning för pulsövervakning och högpåkänningsmätning av bröströrelser och ledböjningar som ett resultat av rekordmotståndsändringen.
Fotografi av G-kulor som vilar i en glasflaska. Varje boll har en mjuk kärna av polydimetylsiloxan (PDMS) och är belagd med mikroskopiska ark av grafen. Kredit:University of Sussex
Dr Sean Ogilvie, Forskare i materialfysik vid University of Sussex, sa:"Kommersiella töjningssensorer, vanligtvis baserad på metallfoliemätare, gynnar noggrannhet och tillförlitlighet över känslighet och töjningsintervall. Nanokompositer är attraktiva kandidater för nästa generations töjningssensorer på grund av deras elasticitet, men en utbredd användning av industrin har hindrats av icke-linjära effekter som hysteres och krypning på grund av den vätskeliknande naturen hos polymerer på nanoskala, vilket gör att repeterbara töjningsavläsningar en pågående utmaning.
"Våra sensorer sätter sig i en upprepad, förutsägbart mönster som innebär att vi fortfarande kan extrahera en exakt avläsning av belastning trots dessa effekter."
Arbetet möjliggjordes med stöd av det USA-baserade gummiföretaget Alliance.
Jason Risner, V.P. av försäljning och marknadsföring på Alliance, sa:"Alliance har en lång historia av innovation och det är viktigt för oss att spela en aktiv roll i ledande gummiteknologi som använder ett störande nanomaterial som grafen. Det är avgörande att vi samarbetar med vetenskapliga ledare som professor Alan Dalton vid universitetet av Sussex.
"Vi är glada över att se de produkter som potentiellt kan komma ut ur vårt partnerskap. Grafen är ett häpnadsväckande material som kan revolutionera våra liv. Vårt företag är stolta över att vara i framkant av något så nytt."
