用于无线传感器网络的高级化学抵抗材料gydF4y2Ba

当它们暴露在周围环境中某些化学物质的气体和蒸汽中时，化学材料会改变它们的电阻，这使得它们作为空气污染传感器非常有用。通过她的工作，位于马德里的西班牙研究委员会(CSIC)的研究员Esther Hontañón博士探索了如何利用材料科学和3D打印技术的最新进展来进一步提高这些材料的灵敏度。她的团队的发现为先进的无线污染传感器网络铺平了道路，该网络可以应用于许多现实世界的场景。gydF4y2Ba

监测空气污染的技术是改善城市环境中人类健康的全球努力的关键部分，同时也将对自然生态系统的破坏降至最低。精确传感涉及许多挑战；空气污染中所含的气体和蒸汽不仅可以扩散到广阔的区域，而且其浓度也可能随时间变化很大。如果没有正确的方法，这些因素就很难全面了解污染对某些地区的影响。为了克服这些挑战，研究人员正在研究使用尖端无线传感器网络。gydF4y2Ba

在这些相互作用的设备网络中，单个传感器可以检测到特定污染物分子的存在，并对收集到的数据进行处理，然后通过无线信号将数据发送给其他设备进行分析。正如Hontañón博士解释的那样，“无线传感器网络通过提供诸如实时数据访问、广泛区域覆盖、连续的长期监测和系统可扩展性等重要好处，使得无处不在的空气质量监测成为可能。”然而，为了可持续地实现这一目标，传感器必须是微小的、消耗很少的能量的、易于生产且成本低廉的工业规模。因此，他们的设计本身就提出了一个重大的挑战。gydF4y2Ba

改变电阻gydF4y2Ba
实现真实可靠的网络的一个有希望的途径是使用“化学”传感器。这些器件包含两个电极，位于绝缘衬底的顶部，由一个小间隙隔开。这个空间由一层材料连接起来，其电阻随着周围环境中的化学物质吸附到其表面而变化。因此，通过连续测量两个电极之间的电流，传感器可以探测周围空气中污染物的类型和浓度。gydF4y2Ba

至关重要的是，这些设备运行时需要的电力很少，而且可以使用相对少量的化学电阻材料——这两者都是可靠传感器网络的重要先决条件。Hontañón博士描述道:“化学气体传感器由于其在小型化和集成化方面的更高潜力，使高便携设备和可穿戴设备的发展得到越来越多的关注。”为了充分发挥这些设备的潜力，Hontañón博士和她的同事们正在研究如何利用材料科学的最新进展，使化学材料更容易对周围的空气污染做出反应。gydF4y2Ba

传感器必须是微小的，消耗很少的能量，并且容易和便宜的工业规模生产。gydF4y2Ba

用于传感层的新材料gydF4y2Ba
到目前为止，化学电阻传感器的设计主要依赖于一种被称为金属氧化物半导体的化合物，这种化合物以薄膜的形式涂在基片上。然而，研究人员越来越意识到，这些薄膜的敏感性和对某些污染物的选择性都是有限的。此外，它们通常在300°C以上的温度下工作，因此有必要通过施加数十毫瓦的功率来加热传感层。为了提高他们的能力，同时减少金属氧化物传感器的尺寸、制造成本和能量消耗，Hontañón博士和她的团队正在设计更先进的化学抵抗材料，具有非常复杂的纳米结构。gydF4y2Ba

目前，该团队的研究重点是制造各种不同形状的材料，包括纳米颗粒、金属线、纤维和丝带。他们正在使用各种材料来制造这些结构——比如金属氧化物和碳基化合物——并且正在研究当沉积在不同的基片上时，化学电阻材料的性能如何变化，包括硅、聚合物和纸。这些研究都无法通过常规沉积技术实现。相反，Hontañón博士和她的同事着眼于3D打印技术的最新进展。她解释说:“最新的制造技术提供了可定制的设备、微米和亚微米尺度的特性，以及将多种材料集成到单个基片上。”“简化的加工步骤、减少的材料浪费、低的制造成本和简单的涂层/图案技术，使打印技术对具有成本效益的传感器制造非常有吸引力。”gydF4y2Ba

先进的印刷技术gydF4y2Ba
为了将材料沉积到基材上，3D打印机将液体形式的材料液滴通过一个精细的喷嘴，然后在扁平的基材上干燥并凝固，从而使3D结构能够逐层构建。然而，目前最常用的喷墨打印技术不能用于制造小于几十微米的结构。此外，由于需要打印头扫描承印物，喷墨是最慢的打印技术之一。相反，Hontañón博士的团队探索了电流体动力印刷在化学传感器制备中的潜力。Hontañón博士解释说:“电流体动力打印是喷墨打印的一种形式，液滴是通过外部电场从喷嘴中拉出来的，而不是被挤出来的。”这些技术可以通过减少喷嘴的直径来实现精确到1微米的高分辨率图形，以及通过改变喷嘴与基材的分离来调整涂层的表面积。gydF4y2Ba

一种电流体力学技术被称为“静电纺丝”，即含有待打印金属前体的聚合物溶液以带电线的形式从喷嘴中抽出，形成纤维，从气体中沉积到基材上，形成缠结的网。然后对纤维层进行加热，以去除聚合物并氧化金属，最终获得所需金属氧化物的纳米纤维。这种材料不仅表面积大，而且对气体的渗透性强，这意味着它的电阻变化对通过它的气体非常敏感。gydF4y2Ba

实际上电纺纳米纤维gydF4y2Ba
在最近的两项研究中，Hontañón博士和她的同事使用静电纺丝技术生产金属氧化物半导体氧化锡(SnO)的纳米纤维gydF4y2Ba_2gydF4y2BaNF）。在将缠结的纤维沉积在含有两个隔离电极的硅衬底上后，研究人员用它们来检测周围空气中的低水平臭氧和二氧化氮——这两种都是常见的空气污染物。他们最初的实验表明，这种特殊材料比二氧化氮对臭氧更敏感，而且在某些温度下对每种化学物质也最敏感：二氧化氮为200℃，臭氧为350℃。在每种情况下，通过纳米纤维的电流都会因低至十亿分之五十的污染物浓度而发生可测量的变化。gydF4y2Ba

在最初的实验之后，Hontañón博士的团队将氧化锡纳米纤维装入了氧化石墨烯。这种材料的特点是二维碳原子片，含氧基团被附着在其中，然后通过化学或热处理部分去除，赋予它们高级的电性能。研究人员发现，他们改变的材料不仅比纯氧化锡纳米纤维对污染气体更敏感，而且他们还将其对两种污染物最敏感的温度降低了约150°C。此外，用紫外光照射纳米纤维，气体几乎可以立即被解吸。这使得它可以在低于100°C的温度下工作，减少了传感器的能量消耗，使其更适合实际的监控场景。gydF4y2Ba

这一成功为电流体动力印刷技术，即静电纺丝和静电喷涂，在低成本、低功率传感器的生产中开辟了新的机会。gydF4y2Ba

电喷雾薄膜gydF4y2Ba
在最新的研究中，Hontañón博士的团队使用了一种名为“电喷涂”的替代技术来沉积化学电阻材料。通过这种方法，含有石墨烯薄片的液体从喷嘴中分散成精细的气溶胶喷雾，然后电场引导微小的带电液滴。Hontañón博士介绍说:“在这里，我们将电喷雾技术应用于石墨烯气体传感器的制备。”“然后我们评估了由此产生的传感器对两种空气污染物，二氧化氮和臭氧的检测性能。”gydF4y2Ba

研究人员首先将两种不同的石墨烯材料——还原氧化石墨烯和石墨烯纳米片（GnP）分散在异丙醇中，在聚合物基底上制备了纳米级薄膜。异丙醇喷洒后，很容易产生微小且快速蒸发的气溶胶液滴。然后，通过实验，他们研究了薄片的表面积和沉积模式如何变化，这取决于基板-喷嘴距离、液体流速和施加电压等因素。Hontañón博士及其同事通过这种方式精确控制薄膜的特性，发现他们的石墨烯传感器可以变得高度敏感，可以吸收十亿分之五十的二氧化氮和臭氧。此外，当暴露在紫外线下时，这两种气体会瞬间从石墨烯薄膜中解吸出来。这使得石墨烯成为室温下气体传感的合适材料，因为它不消耗能量。”这一成功现在为电流体印刷技术（即静电纺丝和电喷雾）在生产低成本、低功耗传感器方面提供了新的机遇。”gydF4y2Ba

有前景的传感器网络路径gydF4y2Ba
静电纺丝和静电喷涂基于相同的原理，使用相同的设备。它们之间的主要区别在于性质，即待雾化液体的表面张力、粘度和导电性：溶液或胶体分散体。它们在气相中以细丝或液滴的形式导致不同的原子化模式，从而在除去液体后沉积在基底上时形成不同的纳米结构层。gydF4y2Ba

该小组的静电纺丝和电喷雾实验为未来如何通过加热或紫外线照射使化学电阻传感器在现实环境中更稳定的研究铺平了道路。通过这项工作，Hontañón博士和她的同事们将探索如何制造传感器来准确检测许多不同类型污染物的低水平，同时也能在广泛的室外条件下工作，即大气温度和湿度。gydF4y2Ba

如果这些设计得以实现，并能通过工业规模的制造过程广泛应用，它们将为包括市政府、交通当局和环保组织在内的团体提供便捷的前沿无线传感器网络。有了这种快速、简单和廉价的监测空气污染的方法，这些组织将能够准确地确定污染对人类健康和自然生态系统损害最大的地区。这种新一代的无线传感器网络可以帮助我们减少世界范围内不可避免的污染水平，同时为限制污染影响的程度提供新措施。gydF4y2Ba