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  近年來(lái)，形態(tài)可控的納米銀因?yàn)樘赜械碾娦阅茉谏飩鞲衅鳌⒓{米馬達(dá)和仿生電子膜等領(lǐng)域得到極大關(guān)注。盡管各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的納米銀已被廣泛報(bào)道，但合成主要依靠化學(xué)方法，且反應(yīng)條件、反應(yīng)參數(shù)要求苛刻。同時(shí)，基于一維納米尺度下晶體的排列形態(tài)精確可控仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。例如，目前報(bào)道的依靠纖維分布的銀納米粒子能實(shí)現(xiàn)電子的定向傳導(dǎo)，但銀納米粒子在纖維中是不均勻和無(wú)法精確控制的分布，這勢(shì)必影響其在更小尺度的電子定向敏感和傳導(dǎo)性。

  近日，西南交通大學(xué)鄭曉彤課題組開(kāi)發(fā)了一種新的合成方法，結(jié)合靜電紡絲技術(shù)和原位UV輻照在室溫下得到一維成對(duì)定向排列的銀納米鏈（AgNLs）。這種AgNLs不同于傳統(tǒng)的銀納米線(xiàn)（AgNWs），它是依靠銀納米晶體沿著纖維模板的平行界面，實(shí)現(xiàn)更小定向尺度的單顆粒自組裝。在整個(gè)過(guò)程中，從銀離子到銀單質(zhì)的定向合成，PVP聚合物分子鏈發(fā)揮了重要的模板效應(yīng)，比如：在溶液混合過(guò)程起到絡(luò)合模板作用、在靜電紡絲過(guò)程起到電場(chǎng)遷移作用、以及在原位UV輻照過(guò)程起到分子定向拉伸作用（圖一）。

圖一 納米纖維中單顆粒自組裝成對(duì)定向排列的銀納米鏈的示意圖

  正如圖二所示，該合成方法得到的AgNLs依靠納米尺度的晶體排列結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出對(duì)水分子的多級(jí)梯度吸附能力，并對(duì)低濕、中濕、高濕環(huán)境體現(xiàn)出不同的電子敏感和傳導(dǎo)特性。相比傳統(tǒng)的線(xiàn)性響應(yīng)濕度傳感器，以AgNLs為基構(gòu)造的濕度傳感器（ABHS），在一維納米尺度下顯示出對(duì)低相對(duì)濕度有更好的靈敏性能。

圖二 AgNLs吸附水分子產(chǎn)生的點(diǎn)傳導(dǎo)特性

  在實(shí)際應(yīng)用中，ABHS可用于環(huán)境濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含一個(gè)實(shí)時(shí)電阻的記錄表和ABHS構(gòu)造的電路循環(huán)系統(tǒng)，利用黃、綠、紅三種LED燈顯示環(huán)境濕度的程度。結(jié)果顯示，無(wú)論是濕度低于11%，還是濕度在95%以上，三種顏色的燈都能根據(jù)濕度變化產(chǎn)生快速、準(zhǔn)確的響應(yīng)（圖三）。

  同樣，如圖四所示，ABHS也可很好地應(yīng)用于低濕度下的非接觸式指紋傳感器。無(wú)論是干燥或者潮濕的手指，只要靠近ABHS，電阻會(huì)發(fā)生明顯地減小；當(dāng)手指離開(kāi)后，電阻會(huì)因?yàn)閭鞲衅鞯臐穸茸兓謴?fù)，但兩種狀態(tài)的恢復(fù)時(shí)間不同。因此，可以利用這個(gè)特性構(gòu)建電阻響應(yīng)的閾值和恢復(fù)時(shí)間范圍，從而設(shè)計(jì)一種重復(fù)性高、穩(wěn)定性強(qiáng)的超敏非接觸式指紋傳感器。

圖三 ABHS用于環(huán)境濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

  他們進(jìn)一步構(gòu)建了實(shí)時(shí)的呼吸監(jiān)測(cè)傳感器，利用AgNLs吸附不同水分子產(chǎn)生不同電導(dǎo)性的特點(diǎn)，ABHS能很好地對(duì)“健康”、“虛弱”、“運(yùn)動(dòng)”、“生病”四種狀態(tài)，也就是呼吸頻率為20, 25, 35 和15 次/分鐘的狀態(tài)產(chǎn)生不同的電信號(hào)。同時(shí)，也可以定量監(jiān)測(cè)和評(píng)估睡覺(jué)前和睡覺(jué)后的呼吸狀態(tài)，這為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有呼吸疾病的病人在睡覺(jué)過(guò)程提供了很好的保護(hù)作用。

圖四 ABHS用于非接觸式的指紋濕度傳感和呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

  該研究成果在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Nano Energy》上發(fā)表，西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)碩士生何靜為該工作第一作者，該生導(dǎo)師鄭曉彤為第一通訊作者。電性能相關(guān)測(cè)試得到楊維清教授及團(tuán)隊(duì)的大力支持。

  原文鏈接：

  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