碳納米管（CNT）因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、電學(xué)和力學(xué)性能，已成為傳感技術(shù)中至關(guān)重要的納米材料。碳納米管具有高長(zhǎng)徑比、卓越的比表面積、優(yōu)異的電導(dǎo)率以及化學(xué)可調(diào)性，使其在多種傳感平臺(tái)中具備卓越的靈敏度和快速響應(yīng)能力。
據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，韓國(guó)嶺南大學(xué)（Yeungnam University）的研究團(tuán)隊(duì)在Chemosensors期刊上發(fā)表了題為“Unlocking the Future: Carbon Nanotubes as Pioneers in Sensing Technologies”的綜述論文，全面概述了基于碳納米管的傳感器的最新進(jìn)展，包括單壁碳納米管（SWCNT）和多壁碳納米管（MWCNT）。研究人員探討了碳納米管在各種傳感應(yīng)用中的功能作用，包括氣體傳感、化學(xué)檢測(cè)、生物傳感和壓力/應(yīng)變監(jiān)測(cè)。
該綜述強(qiáng)調(diào)了碳納米管的傳感機(jī)制，例如電導(dǎo)率變化、表面吸附現(xiàn)象、分子識(shí)別和壓阻效應(yīng)。此外，該綜述還探討了通過(guò)表面功能化、混合材料集成和納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等提高靈敏度和選擇性的策略。文中還涵蓋了阻礙商業(yè)化部署的可重復(fù)性、選擇性和可擴(kuò)展性的挑戰(zhàn)。最后，研究人員對(duì)基于柔性和可穿戴碳納米管的傳感器等新興方向及其在實(shí)時(shí)環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的作用進(jìn)行了綜合分析。通過(guò)概述當(dāng)前的進(jìn)展和現(xiàn)有的局限性，該綜述強(qiáng)調(diào)了碳納米管在跨學(xué)科領(lǐng)域的下一代傳感技術(shù)設(shè)計(jì)中的變革潛力。
圖1 基于碳納米管的傳感應(yīng)用
碳納米管的特性
碳納米管是一種完全由排列成六邊形晶格的碳原子組成的圓柱形納米結(jié)構(gòu)，類(lèi)似于卷起的石墨烯片。根據(jù)石墨烯層數(shù)的不同，碳納米管主要分為單壁碳納米管（SWCNT）和多壁碳納米管（MWCNT）。碳納米管的長(zhǎng)度可以從幾微米到數(shù)毫米不等，賦予其極高的長(zhǎng)徑比，這是其在傳感應(yīng)用中至關(guān)重要的特性之一。
碳納米管的一個(gè)顯著特性是其手性（chirality），即石墨烯片卷曲時(shí)所形成的角度。手性會(huì)顯著影響碳納米管的電學(xué)特性，從而將其分為金屬性或半導(dǎo)體性?？傊技{米管的結(jié)構(gòu)特征，包括其手性、長(zhǎng)徑比、缺陷密度和構(gòu)型，在決定其是否適用于各種傳感應(yīng)用方面起著至關(guān)重要的作用。先進(jìn)的合成技術(shù)和后功能化方法持續(xù)發(fā)展，以針對(duì)特定傳感器設(shè)計(jì)優(yōu)化這些結(jié)構(gòu)屬性。
圖2 多壁碳納米管原子結(jié)構(gòu)的示意圖
碳納米管具有卓越的電學(xué)和力學(xué)性能，使其成為傳感技術(shù)領(lǐng)域最具前景的材料之一。其獨(dú)特的一維（1D）結(jié)構(gòu)以及sp2雜化的碳–碳鍵結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的性能表現(xiàn)，超越了許多傳統(tǒng)納米材料。
碳納米管的類(lèi)型及其應(yīng)用
單壁碳納米管是一類(lèi)獨(dú)特的碳納米材料，由單層石墨烯片卷曲形成無(wú)縫的圓柱結(jié)構(gòu)，其直徑通常在0.4至3納米之間，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)微米甚至數(shù)毫米。
多壁碳納米管由多層同心卷曲的石墨烯片組成，層與層之間的間距約為0.34納米，呈現(xiàn)類(lèi)似俄羅斯套娃式的嵌套圓柱結(jié)構(gòu)。這種多層結(jié)構(gòu)是多壁碳納米管區(qū)別于單壁碳納米管的顯著特征，使其具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性以及可調(diào)的電學(xué)特性，適用于多種傳感平臺(tái)。多壁碳納米管的典型直徑范圍為2納米至100多納米，其長(zhǎng)度可根據(jù)合成方法的不同延伸至數(shù)微米。多層石墨烯壁不僅增強(qiáng)了多壁碳納米管的機(jī)械強(qiáng)度，還提供了更大的比表面積，從而在傳感過(guò)程中能與目標(biāo)分析物產(chǎn)生更高效的相互作用。
研究人員對(duì)單壁碳納米管和多壁碳納米管在傳感應(yīng)用中的性能作了比較分析。
圖3 單壁碳納米管和多壁碳納米管在傳感應(yīng)用中的比較分析及碳納米管的軌道結(jié)構(gòu)
基于碳納米管的傳感器
由于碳納米管獨(dú)特的物理化學(xué)特性，包括其高比表面積、優(yōu)異的電導(dǎo)率以及化學(xué)可調(diào)性，基于碳納米管的氣體傳感器在近年取得了顯著進(jìn)展。目前，單壁碳納米管和多壁碳納米管均已被用作有毒氣體檢測(cè)中的活性傳感元件。其準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)有助于電子沿管軸方向的彈道式輸運(yùn)，一旦氣體分子在碳納米管表面發(fā)生吸附或擾動(dòng)，就會(huì)顯著改變其電學(xué)特性。這種變化通常表現(xiàn)為電阻或電流的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的實(shí)時(shí)檢測(cè)。
圖4 基于差分微波的氣體傳感器工作機(jī)制的示意圖
碳納米管因其優(yōu)異的靈敏度、選擇性和快速響應(yīng)時(shí)間，已成為開(kāi)發(fā)化學(xué)傳感器極具前景的材料。碳納米管在檢測(cè)化學(xué)污染物方面的一項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于其能夠通過(guò)多種機(jī)制與目標(biāo)分子發(fā)生相互作用，例如物理吸附、化學(xué)吸附或電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程。這些相互作用會(huì)引起碳納米管電學(xué)特性的變化，例如電導(dǎo)率或電阻的變化，這些變化可以被輕松檢測(cè)并與污染物的濃度相關(guān)聯(lián)。
圖5 基于碳納米管的化學(xué)電阻式傳感器架構(gòu)示意圖
研究人員還在該綜述中介紹了基于碳納米管的生物傳感器、壓力和應(yīng)變傳感器的研究進(jìn)展。
基于碳納米管的傳感技術(shù)的進(jìn)展
基于納米結(jié)構(gòu)碳納米管傳感器的進(jìn)步正在徹底革新傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別是在提升靈敏度和檢測(cè)限方面表現(xiàn)突出。碳納米管本身所具有的一維結(jié)構(gòu)、納米級(jí)直徑、超大比表面積以及卓越的電導(dǎo)率，使其成為高性能傳感器的理想材料。然而，為了進(jìn)一步優(yōu)化其傳感性能，研究人員對(duì)碳納米管的納米結(jié)構(gòu)配置進(jìn)行了大量探索，例如排列陣列、分級(jí)架構(gòu)以及混合納米復(fù)合材料等。這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯著提升了碳納米管在多種應(yīng)用中的靈敏度和選擇性。
圖6 MWCNT/SnO?納米線(xiàn)異質(zhì)結(jié)傳感器的制備工藝及其電子結(jié)構(gòu)示意圖
小結(jié)
綜上所述，該綜述全面探討了碳納米管的基本性質(zhì)、類(lèi)型、傳感機(jī)制以及在不同傳感器平臺(tái)中的廣泛應(yīng)用，包括氣體傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器、壓力和應(yīng)變傳感器。在最初的部分，該綜述強(qiáng)調(diào)了單壁碳納米管和多壁碳納米管的結(jié)構(gòu)獨(dú)特性，說(shuō)明了它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)、電學(xué)特性和在各種傳感平臺(tái)中的適用性方面的差異。文中還探討了基于碳納米管的傳感的基本機(jī)制，包括電導(dǎo)率、表面吸附相互作用、光學(xué)響應(yīng)和分子識(shí)別能力的變化。
在應(yīng)用方面，碳納米管在檢測(cè)NO?、NH?和CO等有毒氣體的氣體傳感器以及用于污染物環(huán)境監(jiān)測(cè)和工業(yè)安全系統(tǒng)的化學(xué)傳感器中表現(xiàn)出卓越的性能。此外，基于碳納米管的生物傳感器在檢測(cè)葡萄糖、DNA、蛋白質(zhì)和各種疾病生物標(biāo)志物等生物分子方面顯示出巨大的潛力，使其成為醫(yī)學(xué)診斷的關(guān)鍵組成部分。將碳納米管傳感器集成到智能、可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）平臺(tái)的新興趨勢(shì)為實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了令人興奮的前景。
然而，盡管取得了上述的顯著進(jìn)展，但功能化穩(wěn)定性、現(xiàn)實(shí)條件下的靈敏度限制、成本效益、制造技術(shù)的可擴(kuò)展性以及潛在的環(huán)境或毒理學(xué)問(wèn)題等挑戰(zhàn)仍然是廣泛商業(yè)化的重大障礙。未來(lái)的研究必須通過(guò)新型材料工程、可持續(xù)生產(chǎn)方法和全面的生物相容性評(píng)估來(lái)解決這些局限性?？傊谔技{米管的傳感技術(shù)有望在醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)安全和可穿戴電子產(chǎn)品等領(lǐng)域推動(dòng)下一代傳感器發(fā)展與應(yīng)用的變革。
論文鏈接：
https://doi.org/10.3390/chemosensors13070225
