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原创深度:为什么说纳米技术可以改进传感器?

2019-12-04
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传感器广泛应用于科学和日常生活的许多领域,从监控化工厂的上下游过程到控制自动门、计算机和自动驾驶车辆,几乎无处不在。可以肯定地说,传感器是日常生活不可或缺的一部分。为了提供更可靠的数据,需要提高传感器的精度和准确度。随着工业4.0的全面实施,制造业许多领域正朝着物联网(IoT)和大数据所支持的高度自动化迈进,进一步优化传感器精度和准确度的需求也变得越来越重要。


由于传感器应用于众多不同的领域,因此它们可以通过许多不同的机制来测量局部环境的变化。在任何情况下,设计中都包含一个主动传感组件来检测环境的变化。有些机制是通过暂时附着在传感器表面的分子来检测局部区域的分析物,这些分子可以是气体分子(包括用于检测湿度的水分子)、液体,也可以是某种特定的化学物质。还有一些机制是依赖于传感材料的物理变形,如应力和应变传感器,其他机制则依赖于局部环境中的光或热变化来激发可检测的响应。

在所有传感机制中,有一个共同点是传感机制会促使传感材料发生能够被检测和记录的变化。在许多情况下,传感机制会促使传感材料的电子特性发生变化。这种变化被传感器读取,并以更加可用和可读的格式输出。这些电子变化可以通过提高传感材料的导电性(从而增加电压)或提高材料的电阻率来实现。

纳米材料成就更高效传感器的优势所在

纳米材料固有的超薄特性


纳米材料的超薄特性,对于传感应用来说是一个很大的优势。近年来,使用二维和一维材料的传感器已被证明具有高灵敏度。由于纳米材料很薄,所以相对来说它们的表面积通常很大。因此,纳米材料不仅能让传感器尺寸更小,而且与使用大块材料相比,它们的感测表面积也要大得多。感测表面积越大,意味着表面上的“感测点”就越多。因为材料太薄,纳米材料的表面会有一些瑕疵,特别是带电孔洞,使得传感器可以专门检测某种类型的分子。这些分子可以是特定气体,如氨气、甲烷、水蒸气,也可以是流动液体中的特定化学物质。此外,设计师还可以使用一些表面来创建特定于一个分子的规定区域,以及针对不同分子的其它区域,使得基于纳米材料的传感器具有多传感能力。

纳米材料的弹性


除了薄之外,纳米材料还有一个优点就是弹性。不是所有的纳米材料都有弹性,但是有些纳米材料,比如石墨烯,可以严重变形而不断裂,并且这种变形又能改变纳米材料的导电性(已检测到)。许多弹性纳米材料也有很高的拉伸强度,只要看看石墨烯就知道了,它是已知单材料中拉伸强度最高的。因此,一些纳米材料的弹性可以成为一种传感机制,它能在拉伸后恢复到原始状态并具有较长的使用寿命。在许多情况下,纳米材料在压力下也可以表现出类似的弹性,并提供可检测的响应。有许多压电和压阻纳米材料在应力下会变形,并引起电流变化,这一点很像大块压电和压阻材料,但其规模要小得多,因此对小应变变形的反应更精确。

纳米材料的导热性


有些纳米材料还具有导热性,可以暴露在高热量下,这是温度传感器的理想特性。采用这种纳米材料的温度传感器,在材料热阻率下降时即表明出现了局部温升情况。

纳米材料的光学特性


有些纳米材料还有另一个优点,那就是光学特性。这些纳米材料可以吸收光,再结合高导电性和载流子迁移率,就可以作为高灵敏光电探测器。有时这些光可能会超出可见光范围,扩展到电磁光谱的其他区域,比如紫外线辐射。

纳米材料的导电性和载流子迁移率


我们前面讨论了纳米材料的不同传感机制和特性如何引起纳米材料和/或其他感测表面的导电性变化。不过,导电性和载流子迁移率(即电子和电洞等带电粒子通过原子晶格的能力),才是许多纳米材料最有优势的两个特性。很多纳米材料都有高导电或半导电电子特性,结合高载流子迁移率,通过对微小变化更积极的响应,使得纳米材料中的电气变化更加敏感。

对于那些表现出半导体性质的纳米材料,它们可以用来检测同时具有吸电子和供电子特性的分子。半导体纳米材料可以采用使电洞从价带耗尽从而增加纳米材料电阻率的机制,或使电子迁移到导带从而增加导电性的机制。这两种机制都很容易通过改变施加在纳米材料上的电压来检测。

纳米材料混合成杂化材料的能力


我们在前面讨论了纳米材料单独使用的情况,但是设计师还可以将许多纳米材料混合制成杂化材料(如复合材料),并通过这种形式得到额外的好处。当混合成杂化材料时,纳米材料的分子将与其他材料的分子结合。分子间键合可以通过氢键合(如果纳米材料含有极性分子团)、范德华力和π-π堆积来实现。这些分子间的相互作用使得高效的电荷转移机制能够在杂化材料中存在非定域电子的地方(特别是π电子网络形成的地方)发生。与单独使用相比,纳米材料的混合使用提供了一种更高效的传导机制,可以显著提高灵敏度。

结论
并非所有的纳米材料都适合传感应用,但与其他材料相比,那些合适的纳米材料的确能显著提高传感器的感测能力。总的来说,从大表面积到高导热率、导电率和电荷转移能力,纳米材料有很多优势可以帮助设计师实现比其他传感材料更精确的传感机制。

传感器使用纳米材料的领域有很多,包括但不限于应力/应变计、各种类型的生物传感器、温度和湿度传感器、压力传感器、光学传感器、电容传感器、压电传感器和压阻传感器等等。

作者简介

利亚姆·克里奇利(Liam Critchley是一位作家、记者兼技术布道者。他专注于化学和纳米技术,以及如何将分子级基本原理应用于众多不同的领域。利亚姆最出名的可能是他传授知识的方法,他可以向科学家以及非科学家解释非常复杂的科学问题。利亚姆目前已经在化学和纳米技术交叉的各个科学领域和行业发表了350多篇文章。

利亚姆目前担任欧洲纳米技术产业协会(NIA)的高级科学通讯官,并且在过去几年的时间里一直在为全球不同地区的公司、协会和媒体网站撰写文章。在成为一名作家之前,利亚姆获得了纳米技术和化学工程两个硕士学位。

除了写作,利亚姆还是美国石墨烯协会(NGA)顾问委员会、全球纳米技术世界网络(NWN)、科学慈善机构格拉姆西理事会(总部位于英国)的成员。利亚姆同时也是英国纳米医学协会(BSNM)和国际先进材料协会(IAAM)的成员,以及多家学术期刊的审稿人。


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