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  近年來，形態(tài)可控的納米銀因為特有的電性能在生物傳感器、納米馬達和仿生電子膜等領(lǐng)域得到極大關(guān)注。盡管各種復雜結(jié)構(gòu)的納米銀已被廣泛報道，但合成主要依靠化學方法，且反應條件、反應參數(shù)要求苛刻。同時，基于一維納米尺度下晶體的排列形態(tài)精確可控仍是一個挑戰(zhàn)。例如，目前報道的依靠纖維分布的銀納米粒子能實現(xiàn)電子的定向傳導，但銀納米粒子在纖維中是不均勻和無法精確控制的分布，這勢必影響其在更小尺度的電子定向敏感和傳導性。

  近日，西南交通大學鄭曉彤課題組開發(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定向排列的銀納米鏈（AgNLs）。這種AgNLs不同于傳統(tǒng)的銀納米線（AgNWs），它是依靠銀納米晶體沿著纖維模板的平行界面，實現(xiàn)更小定向尺度的單顆粒自組裝。在整個過程中，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，比如：在溶液混合過程起到絡合模板作用、在靜電紡絲過程起到電場遷移作用、以及在原位UV輻照過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)出對水分子的多級梯度吸附能力，并對低濕、中濕、高濕環(huán)境體現(xiàn)出不同的電子敏感和傳導特性。相比傳統(tǒng)的線性響應濕度傳感器，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低相對濕度有更好的靈敏性能。

圖二 AgNLs吸附水分子產(chǎn)生的點傳導特性

  在實際應用中，ABHS可用于環(huán)境濕度監(jiān)測系統(tǒng)，這個監(jiān)測系統(tǒng)包含一個實時電阻的記錄表和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、準確的響應（圖三）。

  同樣，如圖四所示，ABHS也可很好地應用于低濕度下的非接觸式指紋傳感器。無論是干燥或者潮濕的手指，只要靠近ABHS，電阻會發(fā)生明顯地減小；當手指離開后，電阻會因為傳感器的濕度變化而恢復，但兩種狀態(tài)的恢復時間不同。因此，可以利用這個特性構(gòu)建電阻響應的閾值和恢復時間范圍，從而設計一種重復性高、穩(wěn)定性強的超敏非接觸式指紋傳感器。

圖三 ABHS用于環(huán)境濕度監(jiān)測系統(tǒng)

  他們進一步構(gòu)建了實時的呼吸監(jiān)測傳感器，利用AgNLs吸附不同水分子產(chǎn)生不同電導性的特點，ABHS能很好地對“健康”、“虛弱”、“運動”、“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。同時，也可以定量監(jiān)測和評估睡覺前和睡覺后的呼吸狀態(tài)，這為實時監(jiān)測有呼吸疾病的病人在睡覺過程提供了很好的保護作用。

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

  該研究成果在國際頂級學術(shù)期刊《Nano Energy》上發(fā)表，西南交通大學材料科學與工程學院生物醫(yī)學工程專業(yè)碩士生何靜為該工作第一作者，該生導師鄭曉彤為第一通訊作者。電性能相關(guān)測試得到楊維清教授及團隊的大力支持。

  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