西南交大郑晓彤团队Nano Energy: 构建一种成对定向排列的银纳米链及纳米尺度下超敏感非接触湿度传感器的开发

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近年来，形态可控的纳米银因为特有的电性能在生物传感器、纳米马达和仿生电子膜等领域得到极大关注。尽管各种复杂结构的纳米银已被广泛报道，但合成主要依靠化学方法，且反应条件、反应参数要求苛刻。同时，基于一维纳米尺度下晶体的排列形态精确可控仍是一个挑战。例如，目前报道的依靠纤维分布的银纳米粒子能实现电子的定向传导，但银纳米粒子在纤维中是不均匀和无法精确控制的分布，这势必影响其在更小尺度的电子定向敏感和传导性。

近日，西南交通大学郑晓彤课题组开发了一种新的合成方法，结合静电纺丝技术和原位UV辐照在室温下得到一维成对定向排列的银纳米链（AgNLs）。这种AgNLs不同于传统的银纳米线（AgNWs），它是依靠银纳米晶体沿着纤维模板的平行界面，实现更小定向尺度的单颗粒自组装。在整个过程中，从银离子到银单质的定向合成，PVP聚合物分子链发挥了重要的模板效应，比如：在溶液混合过程起到络合模板作用、在静电纺丝过程起到电场迁移作用、以及在原位UV辐照过程起到分子定向拉伸作用（图一）。

图一 纳米纤维中单颗粒自组装成对定向排列的银纳米链的示意图

正如图二所示，该合成方法得到的AgNLs依靠纳米尺度的晶体排列结构，展现出对水分子的多级梯度吸附能力，并对低湿、中湿、高湿环境体现出不同的电子敏感和传导特性。相比传统的线性响应湿度传感器，以AgNLs为基构造的湿度传感器（ABHS），在一维纳米尺度下显示出对低相对湿度有更好的灵敏性能。

图二 AgNLs吸附水分子产生的点传导特性

在实际应用中，ABHS可用于环境湿度监测系统，这个监测系统包含一个实时电阻的记录表和ABHS构造的电路循环系统，利用黄、绿、红三种LED灯显示环境湿度的程度。结果显示，无论是湿度低于11%，还是湿度在95%以上，三种颜色的灯都能根据湿度变化产生快速、准确的响应（图三）。

同样，如图四所示，ABHS也可很好地应用于低湿度下的非接触式指纹传感器。无论是干燥或者潮湿的手指，只要靠近ABHS，电阻会发生明显地减小；当手指离开后，电阻会因为传感器的湿度变化而恢复，但两种状态的恢复时间不同。因此，可以利用这个特性构建电阻响应的阈值和恢复时间范围，从而设计一种重复性高、稳定性强的超敏非接触式指纹传感器。

图三 ABHS用于环境湿度监测系统

他们进一步构建了实时的呼吸监测传感器，利用AgNLs吸附不同水分子产生不同电导性的特点，ABHS能很好地对“健康”、“虚弱”、“运动”、“生病”四种状态，也就是呼吸频率为20, 25, 35 和15 次/分钟的状态产生不同的电信号。同时，也可以定量监测和评估睡觉前和睡觉后的呼吸状态，这为实时监测有呼吸疾病的病人在睡觉过程提供了很好的保护作用。

图四 ABHS用于非接触式的指纹湿度传感和呼吸监测系统

该研究成果在国际顶级学术期刊《Nano Energy》上发表，西南交通大学材料科学与工程学院生物医学工程专业硕士生何静为该工作第一作者，该生导师郑晓彤为第一通讯作者。电性能相关测试得到杨维清教授及团队的大力支持。

原文链接：

Jing He, Xiaotong Zheng, et al. Pair directed silver nano-lines by single-particle assembly in nanofibers for non-contact humidity sensors. Nano Energy. (2021) .

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106748

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