清華大學Adv. Mater.：有了這款超靈敏的全織物氣流傳感器，盲人出門在外不用怕！

【引言】

電子皮膚和智能紡織品最近在迅速發展。柔性的氣流傳感器的研究遠遠落后于被廣泛研究的柔性應變/壓力傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器。柔性氣流傳感器在根據摩斯密碼傳遞信息尤其有用。傳統的氣流傳感器一直應用在天氣監測、生物醫藥工程等領域。氣流傳感器的工作原理包括測量氣流引起的溫度變化或者機械變形。然而，傳統氣流傳感器的剛性強、體積大、探測限高，因此傳統的氣流傳感器不適合用于可穿戴電子器件。

大自然提供給人們一個氣流監測的例子。蜘蛛能迅速知道小昆蟲靠近它們，盡管它們視力很差。這是因為它們的聽毛能感知附近的獵物引起的輕微的空氣振動。

【成果簡介】

近日，清華大學的張瑩瑩教授、青島科技大學的何茂帥教授（共同通訊作者）等人受到蜘蛛聽毛的啟發，基于絨毛狀碳納米管(CNTs)在纖維表面的原位生長，設計了基于碳化絲稠 (CNTs/CSF)的超靈敏的全織物基氣流傳感器。這種氣流傳感器的響應時間約為1.3s，探測極限約為0.05 m s^?1。此外，這種氣流傳感器還能和純織物氣流傳感器結合來實現寬氣流范圍的高靈敏探測。他們將這種氣流傳感器集成到衣服里，展示了這種用氣流傳感器能根據字母的摩斯密碼來傳遞信息和提醒在外面行走的盲人注意由快速經過的車輛和行人引起的潛在危險。這種氣流傳感器性能優異、結構獨特、柔性好，易于制備，會在智能紡織品和可穿戴電子器件有很多潛在的應用。

【圖文導讀】

圖1.全織物氣流傳感器的制備過程、工作原理和照片

a)制備過程示意圖

b)蜘蛛的聽毛能對附近的獵物引起的空氣振動做出響應

c)織物的光學照片

d)織物感知氣流的示意圖

e)氣流傳感器的光學照片

f)氣流傳感器的可彎曲性

g)基于織物的柔性電極

圖2.通過一步化學氣相沉積法制備的CNTs/CSF的表征

a,d)絲織品和CNTs/CSF的照片

b,e)絲織品和CNTs/CSF的放大的SEM圖

c,f)絲織品和CNTs/CSF的拉曼光譜圖

g–i)由濃度不同的催化劑溶液制備的CNTs/CSF的SEM圖

j–l)由濃度不同的催化劑溶液制備的CNTs/CSF的TEM圖

圖3.CNTs/CSF氣流傳感器的性能

a)氣流感應測試的示意圖

b)電流的變化和氣流速度的關系

c)不同氣流角度下CNTs/CSF-0.1 傳感器的感應曲線

d)不同氣流角度、氣流速度為1 m s^?1下CNTs/CSF-0.1 傳感器的循環感應曲線

e)響應時間的確定

f) 電流的變化、氣流速度和氣流角度的三維等高線圖

g)耐用性測試后，氣流速度為2 m s^?1、氣流角度為90°時，CNTs/CSF-0.1 傳感器的循環感應曲線

h)氣流速度為2 m s^?1、氣流角度為90°時，500個循環內CNTs/CSF-0.1 傳感器的信號

i)CNTs/CSF氣流傳感器和其他氣流傳感器的探測極限的對比

圖4.CNTs/CSF氣流傳感器的工作原理

a)氣流傳感器對氣流做出響應后結構和電阻發生變化的示意圖

b)CSF表面的延長的和彎曲的CNTs的TEM圖

c)導電織物的電路模型

d)整個氣流傳感器的等價電路圖

圖5.CNTs/CSF氣流傳感器的應用

a)集成的氣流傳感器的示意圖

b,c) 傳遞 “SILK” 的摩斯密碼

d)集成的氣流探測系統的示意圖

e)集成的氣流探測系統的MODE I 。LED燈為綠色表示沒有氣流，紅色表示有氣流

f)集成的氣流探測系統的MODE II。LED燈為綠色表示有氣流，紅色表示沒有氣流

g)集成的氣流探測系統的MODE III 。 (i) 盲人過馬路的示意圖； (ii, iii) 一旦有人迅速擦肩而過，蜂鳴器會提醒盲人注意潛在的危險。

【小結】

研究團隊受到了蜘蛛聽毛的啟發，設計了超靈敏、柔性的全織物氣流傳感器。它基于由絲織品上原位生長的CNTs制備的CNTs/CSF。它具有超低的探測極限、多角度氣流差分響應和超快的響應。另外，它還具有優異的循環穩定性和耐用性。此外，它還能和純織物氣流傳感器結合來實現高靈敏性、超低的探測極限和寬氣流范圍的探測。這種柔性氣流傳感器具有多方面的潛在應用，例如能根據字母的摩斯密碼來傳遞信息和提醒在外面行走的盲人注意潛在的危險。這種柔性氣流傳感器性能優異、結構獨特、柔性好、易于制備，預期會在智能紡織品和可穿戴電子器件有很多潛在的應用。

文獻鏈接：Bioinspired Fluffy Fabric with In Situ Grown Carbon Nanotubes for Ultrasensitive Wearable Airflow Sensor

（Adv. Mater. 2020, DOI: 10.1002/adma.201908214）

團隊簡介：

清華大學張瑩瑩課題組致力于納米碳與絲蛋白材料研究，開發其在柔性可穿戴器件方面的應用。團隊以碳材料與絲蛋白材料的結構可控制備為基礎，通過設計蠶絲-納米碳復合材料，研究結構-性能關聯與內在機制，設計制備了系列高性能柔性可穿戴器件，為柔性可穿戴系統的材料選擇、理性設計和加工途徑提供了新思路，取得了系列創新性成果。發表SCI論文90余篇，包括以通訊作者發表的Nat Nanotechnol、Nat Commun、Matt、Adv Mater?、Nano Lett?、Adv Funct Mater?、ACS Nano等；被引用3700余次 (Web of Science)，申請發明專利26項（獲授權14項）。

更多信息請參考課題組網站：www.yyzhanggroup.com

青島科技大學何茂帥課題組長期致力于碳納米管的可控制備及生長機制研究，開發碳納米管及復合材料在功能器件、水處理等方面的應用。團隊以催化劑的開發為基礎，通過設計新型催化劑，研究催化劑的活化、碳管在催化劑表面的成核生長等過程，選擇性制備了一系列特定手性結構的單壁碳納米管，為單壁碳納米管在海水淡化、功能器件等方面的應用提供了材料基礎，并取得了系列創新性成果。以第一作者和通訊作者在Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Adv Mater?、ACS Nano等期刊上發表SCI論文60余篇，申請發明專利6項。

本文由kv1004供稿