纳米材料的有益特性可产生更高效的传感器

传感器用于科学和日常生活的许多领域，从监控化工厂的上游和下游过程到控制自动门、计算机和自动驾驶车辆。可以肯定地说，传感器是日常生活中不可或缺的一部分。始终需要提高传感器的准确度和精度，以提供更可靠的数据。随着工业 4.0 的全面实施临近，随着许多制造领域转向物联网 (IoT) 和大数据支持的自动化流程，进一步优化传感器准确度和精度的需求变得更加重要。

由于传感器有许多不同的应用领域，因此传感器可以通过许多不同的机制来测量局部环境的变化。无论如何，该设计将包括一个主动传感组件来检测环境的变化。就机制而言，一些机制将通过暂时结合到传感器表面的分子检测局部区域的分析物——这些分子可以是气态分子（包括用于湿度传感的水）、液体或特定化学物质——而一些机制依赖于传感材料的物理变形——例如应力和应变传感器——而其他传感器将依赖于局部环境中的光学或热变化来调用可检测的响应。

贯穿所有传感机制的一个共同点是，传感机制会导致整个传感材料发生变化，这使得变化能够被检测和记录。在许多情况下，传感机制会导致传感材料的电子特性发生变化。传感器读数以更易用和可读的格式输出这种变化。这种电气变化可以采取增加传感材料的电导率（从而增加电压）的形式，或者通过增加材料的电阻率来实现。

纳米材料的有益特性可产生更高效的传感器

纳米材料固有的薄性质

纳米材料本质上很薄，这在传感应用方面是一个很大的积极因素。近年来，使用二维和一维材料的传感器已被证明可以产生高灵敏度。由于纳米材料非常薄，它们的相对表面积通常很高。因此，纳米材料不仅使传感器更小，而且与使用散装材料相比，它们提供了更大的感应表面积。更高的感应表面积意味着与其他材料相比，表面上可能有更多的“感应点”。由于材料非常薄，缺陷——特别是带电空腔——可以被引入纳米材料的表面，这是纳米材料可以使传感器对某种类型的分子具有选择性的一种方式。这可以是特定气体，例如氨气、甲烷、或水蒸气 - 或流动液体中的特定化学物质。此外，设计人员可以使用一些表面来创建特定于一种分子的定义区域和针对不同分子的其他区域。这使得基于纳米材料的传感器具有多传感能力。

纳米材料的柔性特性

它们的纤薄还有另一个方面，那就是柔韧性。并非所有的纳米材料都是柔性的，但那些柔性的纳米材料（例如石墨烯）可以在不断裂的情况下发生较大程度的变形，这再次改变了纳米材料的导电性（可检测到）。许多柔性纳米材料还具有很高的抗拉强度——看看石墨烯就知道它是所有单一材料中已知抗拉强度最高的。因此，一些纳米材料的柔韧性可以成为一种传感机制，能够恢复到原来的构象，使用寿命长。在许多情况下，纳米材料在压力下也可以表现相同，并提供可检测的响应。

纳米材料的导热性能

一些纳米材料还具有导热性，可以暴露在大量热量下，这是温度传感器的理想特性。在这些情况下，当局部温度升高时，可以通过纳米材料的热阻率下降来检测。

纳米材料的光学特性

一些纳米材料的另一个有益特性是它们的光学特性。一些纳米材料具有光吸收特性，当与高电导率和电荷载流子迁移率相结合时，可以作为高灵敏度的光电探测器。在某些情况下，这可以从可见光扩展到电磁波谱的其他区域，例如紫外线辐射。

纳米材料的电导率和载流子迁移率

我们已经讨论了纳米材料的不同机制和特性如何帮助引起纳米材料和/或其他传感表面的电导率发生变化。但是，导电性和载流子迁移率——电子和空穴等带电粒子穿过原子晶格的能力——本身就是许多纳米材料擅长的两个特性。许多纳米材料具有高度导电或半导电的电子特性，这与高电荷载流子迁移率一起，通过对微小变化的响应显着提高，使纳米材料上的电变化显着更加敏感。

对于那些表现出半导体特性的纳米材料，它们可用于检测具有受体和供体电子特性的分子。半导体纳米材料可以采用导致空穴从价带耗尽的机制——从而增加纳米材料的电阻率——或导致电子迁移到导带的机制——从而增加电导率。这两种机制都可以通过纳米材料上施加电压的变化轻松检测到。

将纳米材料结合到混合材料中的能力

我们在上面单独讨论了纳米材料，但设计人员可以将许多纳米材料结合到混合材料（如复合材料）中，并以这种形式带来好处。当它们被纳入混合基质时，纳米材料将与其他材料分子间结合。分子间键合可以通过氢键（如果纳米材料包含极性基团）、范德华力和 π-π 堆积来实现。这些分子间相互作用使有效的电荷转移机制能够在杂化材料中存在离域电子的地方（特别是在形成 π 电子网络的地方）发生。与它们不包含在矩阵中时相比，这提供了更有效的传导机制，从而导致更高的灵敏度。

结论

并非所有纳米材料都适用于传感应用，但那些可以显着提高传感器传感能力的材料优于其他材料。总的来说，有一系列有益的特性——从高表面积到导热性、高导电性和电荷转移特性——设计人员可以使用这些特性来提供比其他传感材料更准确的传感机制。

传感器使用纳米材料的领域很多，包括但不限于应力/应变计、各类生物传感器、温湿度传感器、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.

利亚姆·克里奇利 ( Liam Critchley ) 是一位作家、记者和传播者，专门研究化学和纳米技术，以及分子水平的基本原理如何应用于许多不同的应用领域。利亚姆最出名的可能是他的信息丰富的方法以及向科学家和非科学家解释复杂的科学主题。Liam 在与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。

Liam 是欧洲纳米技术工业协会 (NIA) 的高级科学传播官，过去几年一直在为全球的公司、协会和媒体网站撰稿。在成为一名作家之前，利亚姆完成了化学与纳米技术和化学工程的硕士学位。

除了写作之外，利亚姆还是美国国家石墨烯协会 (NGA)、全球组织纳米技术世界网络 (NWN) 的顾问委员会成员，以及英国科学慈善机构 GlamSci 的董事会成员。Liam 还是英国纳米医学学会 (BSNM) 和国际先进材料协会 (IAAM) 的成员，以及多个学术期刊的同行评审员。