納米材料的有益特性可產(chǎn)生更高效的傳感器

傳感器用于科學和日常生活的許多領(lǐng)域，從監(jiān)控化工廠的上游和下游過程到控制自動門、計算機和自動駕駛車輛?？梢钥隙ǖ卣f，傳感器是日常生活中不可或缺的一部分。始終需要提高傳感器的準確度和精度，以提供更可靠的數(shù)據(jù)。隨著工業(yè) 4.0 的全面實施臨近，隨著許多制造領(lǐng)域轉(zhuǎn)向物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和大數(shù)據(jù)支持的自動化流程，進一步優(yōu)化傳感器準確度和精度的需求變得更加重要。

由于傳感器有許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域，因此傳感器可以通過許多不同的機制來測量局部環(huán)境的變化。無論如何，該設(shè)計將包括一個主動傳感組件來檢測環(huán)境的變化。就機制而言，一些機制將通過暫時結(jié)合到傳感器表面的分子檢測局部區(qū)域的分析物——這些分子可以是氣態(tài)分子（包括用于濕度傳感的水）、液體或特定化學物質(zhì)——而一些機制依賴于傳感材料的物理變形——例如應(yīng)力和應(yīng)變傳感器——而其他傳感器將依賴于局部環(huán)境中的光學或熱變化來調(diào)用可檢測的響應(yīng)。

貫穿所有傳感機制的一個共同點是，傳感機制會導致整個傳感材料發(fā)生變化，這使得變化能夠被檢測和記錄。在許多情況下，傳感機制會導致傳感材料的電子特性發(fā)生變化。傳感器讀數(shù)以更易用和可讀的格式輸出這種變化。這種電氣變化可以采取增加傳感材料的電導率（從而增加電壓）的形式，或者通過增加材料的電阻率來實現(xiàn)。

納米材料的有益特性可產(chǎn)生更高效的傳感器

納米材料固有的薄性質(zhì)

納米材料本質(zhì)上很薄，這在傳感應(yīng)用方面是一個很大的積極因素。近年來，使用二維和一維材料的傳感器已被證明可以產(chǎn)生高靈敏度。由于納米材料非常薄，它們的相對表面積通常很高。因此，納米材料不僅使傳感器更小，而且與使用散裝材料相比，它們提供了更大的感應(yīng)表面積。更高的感應(yīng)表面積意味著與其他材料相比，表面上可能有更多的“感應(yīng)點”。由于材料非常薄，缺陷——特別是帶電空腔——可以被引入納米材料的表面，這是納米材料可以使傳感器對某種類型的分子具有選擇性的一種方式。這可以是特定氣體，例如氨氣、甲烷、或水蒸氣 - 或流動液體中的特定化學物質(zhì)。此外，設(shè)計人員可以使用一些表面來創(chuàng)建特定于一種分子的定義區(qū)域和針對不同分子的其他區(qū)域。這使得基于納米材料的傳感器具有多傳感能力。

納米材料的柔性特性

它們的纖薄還有另一個方面，那就是柔韌性。并非所有的納米材料都是柔性的，但那些柔性的納米材料（例如石墨烯）可以在不斷裂的情況下發(fā)生較大程度的變形，這再次改變了納米材料的導電性（可檢測到）。許多柔性納米材料還具有很高的抗拉強度——看看石墨烯就知道它是所有單一材料中已知抗拉強度最高的。因此，一些納米材料的柔韌性可以成為一種傳感機制，能夠恢復到原來的構(gòu)象，使用壽命長。在許多情況下，納米材料在壓力下也可以表現(xiàn)相同，并提供可檢測的響應(yīng)。

納米材料的導熱性能

一些納米材料還具有導熱性，可以暴露在大量熱量下，這是溫度傳感器的理想特性。在這些情況下，當局部溫度升高時，可以通過納米材料的熱阻率下降來檢測。

納米材料的光學特性

一些納米材料的另一個有益特性是它們的光學特性。一些納米材料具有光吸收特性，當與高電導率和電荷載流子遷移率相結(jié)合時，可以作為高靈敏度的光電探測器。在某些情況下，這可以從可見光擴展到電磁波譜的其他區(qū)域，例如紫外線輻射。

納米材料的電導率和載流子遷移率

我們已經(jīng)討論了納米材料的不同機制和特性如何幫助引起納米材料和/或其他傳感表面的電導率發(fā)生變化。但是，導電性和載流子遷移率——電子和空穴等帶電粒子穿過原子晶格的能力——本身就是許多納米材料擅長的兩個特性。許多納米材料具有高度導電或半導電的電子特性，這與高電荷載流子遷移率一起，通過對微小變化的響應(yīng)顯著提高，使納米材料上的電變化顯著更加敏感。

對于那些表現(xiàn)出半導體特性的納米材料，它們可用于檢測具有受體和供體電子特性的分子。半導體納米材料可以采用導致空穴從價帶耗盡的機制——從而增加納米材料的電阻率——或?qū)е码娮舆w移到導帶的機制——從而增加電導率。這兩種機制都可以通過納米材料上施加電壓的變化輕松檢測到。

將納米材料結(jié)合到混合材料中的能力

我們在上面單獨討論了納米材料，但設(shè)計人員可以將許多納米材料結(jié)合到混合材料（如復合材料）中，并以這種形式帶來好處。當它們被納入混合基質(zhì)時，納米材料將與其他材料分子間結(jié)合。分子間鍵合可以通過氫鍵（如果納米材料包含極性基團）、范德華力和 π-π 堆積來實現(xiàn)。這些分子間相互作用使有效的電荷轉(zhuǎn)移機制能夠在雜化材料中存在離域電子的地方（特別是在形成 π 電子網(wǎng)絡(luò)的地方）發(fā)生。與它們不包含在矩陣中時相比，這提供了更有效的傳導機制，從而導致更高的靈敏度。

結(jié)論

并非所有納米材料都適用于傳感應(yīng)用，但那些可以顯著提高傳感器傳感能力的材料優(yōu)于其他材料。總的來說，有一系列有益的特性——從高表面積到導熱性、高導電性和電荷轉(zhuǎn)移特性——設(shè)計人員可以使用這些特性來提供比其他傳感材料更準確的傳感機制。

傳感器使用納米材料的領(lǐng)域很多，包括但不限于應(yīng)力/應(yīng)變計、各類生物傳感器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、光學傳感器、電容傳感器、壓電傳感器和壓阻傳感器.

利亞姆·克里奇利 ( Liam Critchley ) 是一位作家、記者和傳播者，專門研究化學和納米技術(shù)，以及分子水平的基本原理如何應(yīng)用于許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域。利亞姆最出名的可能是他的信息豐富的方法以及向科學家和非科學家解釋復雜的科學主題。Liam 在與化學和納米技術(shù)交叉的各個科學領(lǐng)域和行業(yè)發(fā)表了 350 多篇文章。

Liam 是歐洲納米技術(shù)工業(yè)協(xié)會 (NIA) 的高級科學傳播官，過去幾年一直在為全球的公司、協(xié)會和媒體網(wǎng)站撰稿。在成為一名作家之前，利亞姆完成了化學與納米技術(shù)和化學工程的碩士學位。

除了寫作之外，利亞姆還是美國國家石墨烯協(xié)會 (NGA)、全球組織納米技術(shù)世界網(wǎng)絡(luò) (NWN) 的顧問委員會成員，以及英國科學慈善機構(gòu) GlamSci 的董事會成員。Liam 還是英國納米醫(yī)學學會 (BSNM) 和國際先進材料協(xié)會 (IAAM) 的成員，以及多個學術(shù)期刊的同行評審員。