有毒氣體（如氮氧化物）吸入人體后可與血紅蛋白結(jié)合，損害中樞神經(jīng)系統(tǒng)，即使低濃度暴露也可能危及生命。當(dāng)前氣體傳感器多采用陶瓷、硅或柔性聚合物基材，但陶瓷/硅脆性大難以構(gòu)建復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，而聚合物長(zhǎng)期可靠性差。現(xiàn)有研究過(guò)度聚焦敏感材料，卻忽視了傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)氣體擴(kuò)散、材料負(fù)載及響應(yīng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵影響，制約了便攜式實(shí)時(shí)氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

蘇州大學(xué)文震教授、黃海波副教授、Guan Yu Chen和西安電子科技大學(xué)杭州研究院周赟磊副教授合作在《Advanced Materials》發(fā)表研究成果，受昆蟲(chóng)多孔感器與受體協(xié)同作用啟發(fā)，開(kāi)發(fā)出二硫化鎢（WS?）功能化納米工程木材（WS?-NEW）氣體傳感器。該設(shè)計(jì)通過(guò)脫木質(zhì)素形成垂直排列微通道，原位負(fù)載WS?納米片構(gòu)建多尺度傳感網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合創(chuàng)新的傾斜濺射3D叉指電極技術(shù)，實(shí)現(xiàn)室溫下50 ppb級(jí)NO?高靈敏度檢測(cè)。木材的可加工性使傳感器可通過(guò)簡(jiǎn)單切割規(guī)模化生產(chǎn)，團(tuán)隊(duì)據(jù)此開(kāi)發(fā)出實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)NO?的無(wú)線傳感手表，為可穿戴設(shè)備提供新方案。

仿生設(shè)計(jì)理念與制造流程

昆蟲(chóng)觸角的多孔感器可高效捕獲氣味分子（圖1a），團(tuán)隊(duì)據(jù)此設(shè)計(jì)木材衍生3D氣體傳感器（圖1b）：脫木質(zhì)素木材形成垂直蜂窩狀微通道（5–40 μm），模擬昆蟲(chóng)感器的氣體傳輸路徑；WS?納米片充當(dāng)“受體”實(shí)現(xiàn)分子識(shí)別；終端電極采用傾斜濺射工藝制造（圖1c-e），避免金粒子堵塞通道。該結(jié)構(gòu)支持將大塊材料切割為微型傳感器單元（圖1f），并集成于無(wú)線手表實(shí)現(xiàn)濃度可視化及遠(yuǎn)程監(jiān)控（圖1g）。

圖 1.仿生 WS2-NEW 的系統(tǒng)配置。

木材基材特性優(yōu)化

天然輕木（圖2a-c）經(jīng)脫木質(zhì)素處理后變?yōu)榘咨▓D2e），孔隙率從80.53%提升至90.72%，比表面積增加12.28 m2/g（圖2d），增強(qiáng)氣體擴(kuò)散與納米材料負(fù)載能力。雖力學(xué)性能略有下降（彈性模量151→145 MPa，圖2h），但熱穩(wěn)定性滿足室溫傳感需求（分解溫度340℃以上，圖2i-k）。木材軸向熱導(dǎo)率僅0.086 W/mK（圖2n），顯著低于硅/金屬氧化物等傳統(tǒng)基材（圖2o），有效保護(hù)WS?納米結(jié)構(gòu)。

圖 2.木材的基本特性。

WS?納米片均勻負(fù)載

利用木材的毛細(xì)力與靜水壓（圖3a），通過(guò)“浸潤(rùn)-干燥”循環(huán)將WS?納米片嵌入微通道壁。液滴接觸角10秒內(nèi)從110.3°降至14.4°（圖3b），證實(shí)超強(qiáng)浸潤(rùn)性。XRD顯示W(wǎng)S?特征峰（14.2°、33.3°等）與纖維素峰共存（圖3c），SEM/EDS證實(shí)納米片在通道內(nèi)均勻分布且無(wú)堵塞（圖3d-m），構(gòu)建分級(jí)吸附網(wǎng)絡(luò)。

圖 3.WS2/脫木素復(fù)合材料的表征。

傾斜濺射電極技術(shù)

傳統(tǒng)垂直濺射導(dǎo)致金粒子滲入通道中部（圖4d-e），引發(fā)短路失效（圖4f-g）。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新采用60°傾斜濺射（圖4c），使金沉積僅限端口區(qū)域（圖4h-i），電阻穩(wěn)定在144±76 Ω（圖4j）。結(jié)合端面拋光工藝，傳感器電噪聲從11.80%降至0.21%（圖4n），顯著提升信號(hào)穩(wěn)定性。

圖 4.端電極的制備和表征。

傳感性能與機(jī)理

優(yōu)化負(fù)載比例（3.75%）和基材厚度（1.2 mm）后，WS?-NEW對(duì)50 ppb–20 ppm NO?呈現(xiàn)線性響應(yīng)（圖5b-d），檢測(cè)限達(dá)50 ppb。對(duì)10 ppm NO?的響應(yīng)值（349%）遠(yuǎn)超H?S、甲醛等干擾氣體（圖5f），響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間145/403秒（圖5e），一月后性能保持88%（圖5h）。氣流模擬揭示微通道內(nèi)存在速度梯度：近壁區(qū)流速<0.5 mm/s利于氣體充分反應(yīng)，中心區(qū)>3 mm/s加速氣體更新（圖5l-n），協(xié)同提升靈敏度。其機(jī)理為NO?吸附后與WS?表面的O??反應(yīng)捕獲電子，降低電阻（圖5o）。

圖 5.WS2-NEW 的氣體傳感性能和傳感機(jī)制。

可穿戴應(yīng)用落地

基于WS?-NEW的物聯(lián)網(wǎng)手表（圖6a-c）集成溫濕度/濃度四環(huán)顯示界面（圖6b）。內(nèi)部電路（圖6e）通過(guò)WiFi上傳數(shù)據(jù)至云端，支持手機(jī)/電腦遠(yuǎn)程監(jiān)控（圖6d,f）。模擬工業(yè)泄漏測(cè)試中，手表對(duì)750 ppb NO?實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)與恢復(fù)（圖6h-i），為應(yīng)急救援人員提供實(shí)時(shí)預(yù)警。

圖 6.基于 WS2-NEW 的無(wú)線氣體檢測(cè)手表，適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

未來(lái)展望

該研究首創(chuàng)“單塊式制造”工藝，將仿生微通道設(shè)計(jì)、納米材料負(fù)載與電極集成融為一體。木材基材的天然孔隙結(jié)構(gòu)協(xié)同WS?的化學(xué)吸附能力，為室溫高靈敏氣體檢測(cè)開(kāi)辟新路徑。氣流模擬理論為傳感器設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。規(guī)模化切割技術(shù)（96.5%良率）及可穿戴應(yīng)用驗(yàn)證，標(biāo)志著生物質(zhì)氣體傳感器向工業(yè)化邁出關(guān)鍵一步，在個(gè)人健康管理、工業(yè)安全及環(huán)保監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具廣闊前景。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

聲明：僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，作者水平有限，如有不科學(xué)之處，請(qǐng)?jiān)谙路搅粞灾刚?/p>