碳納米管納米復(fù)合傳感器的研究進(jìn)展綜述

一維空心圓柱形碳納米管納米結(jié)構(gòu)自被發(fā)現(xiàn)以來，在納米技術(shù)的發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。在技術(shù)方面，碳納米管既有原始形式的應(yīng)用，也有納米復(fù)合形式的應(yīng)用。因此，碳納米管可以根據(jù)不同的目的與各種導(dǎo)電和非導(dǎo)電基質(zhì)復(fù)合。在傳感技術(shù)方面，多功能碳納米管納米復(fù)合材料取得了重大突破。

在這方面使用的常見基質(zhì)包括共軛聚合物，如聚（3,4-乙烯二氧噻吩）、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺等，以及一些熱塑性塑料，如聚酰胺、聚氨酯等。在這些基質(zhì)中，碳納米管可以形成電子或電荷傳輸?shù)臐B透網(wǎng)絡(luò)，并且還可以形成界面相互作用以獲得良好的相容性、穩(wěn)定性和魯棒性。碳納米管納米復(fù)合材料的傳感特性取決于其與分析物（氣體/離子、生物分子或運(yùn)動(dòng)）之間的相互作用。因此，碳納米管納米復(fù)合材料已被用于開發(fā)高效的氣體傳感器、應(yīng)變傳感器和生物傳感器。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，西北工業(yè)大學(xué)NPU-NCP新型納米材料缺陷工程國際聯(lián)合研究中心的研究人員在e-Prime - Advances in Electrical Engineering, Electronics and Energy期刊上發(fā)表了題為“Highpoints of carbon nanotube nanocomposite sensors - A review”的綜述文章，闡述了基于碳納米管納米復(fù)合材料的傳感技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展。這篇綜述在碳納米管納米復(fù)合材料傳感器領(lǐng)域具有開創(chuàng)性的意義，包括概述、涵蓋的文獻(xiàn)和整體傳感器設(shè)計(jì)到效率研究。文中綜述了多功能傳感器的設(shè)計(jì)和加工方法，為該領(lǐng)域的研究人員提供了有價(jià)值的資料。

碳納米管是一種碳納米同素異形體，碳原子以sp2雜化形成六角形結(jié)構(gòu)，進(jìn)而構(gòu)成空心管狀納米結(jié)構(gòu)。碳納米管有單壁、雙壁以及多壁碳納米管納米結(jié)構(gòu)。獨(dú)特的碳納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高表面積和優(yōu)異的物理特性。這種獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)是通過多種技術(shù)制備的，如化學(xué)氣相沉積、激光燒蝕、電弧放電、催化生長和有機(jī)途徑。

單壁、雙壁和多壁碳納米管的基本結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)中廣泛研究了各種納米結(jié)構(gòu)對氣體、離子和化學(xué)物質(zhì)的傳感性能。除了有利的結(jié)構(gòu)和物理特性外，碳納米管還具有惰性和生態(tài)特性，可在很多實(shí)際應(yīng)用場景中使用。碳納米管的重要傳感特性包括電子和電荷傳輸。碳納米管因其良好的靈敏度、選擇性和快速響應(yīng)特性，已被應(yīng)用于各種傳感領(lǐng)域。

氣體傳感器

由于碳納米管與氣體分子的吸附、連接和鍵合相互作用，碳納米管已成功地應(yīng)用于氣體傳感器設(shè)計(jì)。以納米復(fù)合材料的形式，碳納米管基納米材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、耐久性和分子傳感性能。根據(jù)聚合物的結(jié)構(gòu)，碳納米管可能會(huì)產(chǎn)生π-π相互作用，以利于電子和電荷通過系統(tǒng)。在氣體分子中，已經(jīng)對碳納米管納米復(fù)合材料進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)其對氮、碳、硫和其它蒸汽的氧化物有效。

非共軛聚合物如聚酰胺/碳納米管納米復(fù)合材料已被應(yīng)用于氣體傳感。共軛聚合物（聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩）的納米復(fù)合材料經(jīng)常被制造和研究用于傳感。這種設(shè)計(jì)已被應(yīng)用于形成用于NOx檢測的傳感器。此外，導(dǎo)電聚合物/碳納米管納米復(fù)合材料顯示出對甲烷、鹵素以及碳、硫和氮的氧化物等氣體的傳感。同樣，基于聚苯胺和聚吡咯納米復(fù)合材料的高效氣體傳感設(shè)計(jì)已用于氨氣傳感，也已在文獻(xiàn)中報(bào)道。

聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯/多壁碳納米管和聚苯胺/多壁碳納米管納米復(fù)合薄膜的高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像

應(yīng)變傳感器

除了氣體傳感，應(yīng)變傳感領(lǐng)域也是具有良好電/光學(xué)響應(yīng)的納米復(fù)合材料的不可或缺的應(yīng)用。特別是，在包括應(yīng)變傳感在內(nèi)的多方面?zhèn)鞲蓄I(lǐng)域，填充導(dǎo)電納米填料的聚合物納米復(fù)合材料對目標(biāo)分析物具有良好的穩(wěn)定性和靈敏度。對于應(yīng)變傳感，熱塑性塑料和共軛聚合物納米復(fù)合材料也被采用。熱塑性塑料，如聚氨酯和填充導(dǎo)電碳納米顆粒的共軛基質(zhì)，已被應(yīng)用于應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)。

熱塑性聚氨酯/羥乙基棉纖維素納米纖維/碳納米管納米復(fù)合材料的合成路線

在共軛聚合物中，聚苯胺、聚吡咯、聚（3,4-乙烯二氧噻吩）等已被應(yīng)用于應(yīng)變傳感設(shè)計(jì)。相關(guān)的納米復(fù)合材料包括填充納米碳納米顆粒（如碳納米管、炭黑、石墨烯等）的導(dǎo)電聚合物。導(dǎo)電納米顆粒可以在基質(zhì)中形成滲透網(wǎng)絡(luò)，以促進(jìn)電子傳輸特性。基本上，應(yīng)變傳感性能依賴于納米復(fù)合材料的滲透和電子導(dǎo)電性特征。由于緊密的微觀結(jié)構(gòu)有利于電子通過系統(tǒng)，應(yīng)變傳感納米材料具有高效的傳感響應(yīng)。

聚苯胺包覆碳納米管納米復(fù)合材料的掃描電鏡圖

生物傳感器

納米復(fù)合傳感器也為生物和化學(xué)物質(zhì)的檢測提供了機(jī)會(huì)。聚合物/納米碳，特別是聚合物/碳納米管納米復(fù)合材料已被報(bào)道用于高效的生物傳感。據(jù)報(bào)道，幾種基于碳納米管的生物傳感器設(shè)計(jì)具有高的表面與體積比、導(dǎo)電性、電催化活性、可再現(xiàn)性、靈敏度和對生物分子的快速響應(yīng)。為了開發(fā)具有附加值的納米生物傳感器，需要采用協(xié)同分子建模和實(shí)驗(yàn)技術(shù)來更好地分析目標(biāo)生物分子。

基于單壁碳納米管的場效應(yīng)晶體管傳感器，用于檢測SARS-CoV-2抗原

總而言之，研究人員報(bào)道了高效的碳納米管納米復(fù)合材料在氣體傳感、應(yīng)變傳感和生物傳感應(yīng)用方面的設(shè)計(jì)。對于這些傳感器，碳納米管已經(jīng)在熱塑性材料和共軛基質(zhì)中得到增強(qiáng)。迄今為止的文獻(xiàn)報(bào)道表明，選擇特定的聚合物基質(zhì)和制造策略從根本上提高了高科技傳感設(shè)計(jì)的選擇性、靈敏度、線性電阻響應(yīng)和可再現(xiàn)性。使用共軛聚合物和碳納米管納米填料，可以在基質(zhì)中形成更好的電子轉(zhuǎn)移滲透網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)納米材料的傳感特性。因此，所開發(fā)的設(shè)計(jì)已被發(fā)現(xiàn)能更好地感知?dú)怏w分子、運(yùn)動(dòng)變化和生物種。因此，研究人員的這項(xiàng)工作有益地突出了基于聚合物/碳納米管納米復(fù)合材料的傳感器領(lǐng)域的進(jìn)展，并可為該領(lǐng)域的科學(xué)家和研究人員提供有價(jià)值的指導(dǎo)，以進(jìn)一步研究相應(yīng)的發(fā)展和范圍。

審核編輯：劉清