气体传感器是至关重要在空气中的质量监控，其广泛的应用食品安全性评估，医疗诊断和工业安全。特别是，基于分子的气体传感器因其量身定制的分子结构和可控功能而引起了极大的兴趣。然而，大多数气体传感器仍然存在弱且不稳定的界面粘附，因此导致传感材料容易开裂或剥落，从而导致传感响应损失。虽然提出了几种典型的方法来增强传感材料与支撑基板的界面粘附力，但它们对额外的无机/有机粘合剂无效且耐热性差。因此，开发具有内在强界面粘附力的坚固的基于分子的气体传感器仍然是一项艰巨的挑战。
鉴于此，中国科学院理化技术研究王树涛研究员和陈勇研究员受天然嗅觉系统的结合锚定识别特征的启发，将一种粘合剂集成剂策略将粘合剂单元（聚（二甲基硅氧烷））与传感单元（有机铂（II））整合到一个化学实体中，研制出稳定、灵敏的纳米带阵列气体传感器。系统的理论和实验研究表明，结合粘合剂单元显着增强了阵列传感器的界面附着力，传感单元的气桥超交换电子耦合确保了其高效的气体传感性能。高剪切强度（≈7.05×106 N m-2）允许这些阵列在不影响其传感性能的情况下抵抗强烈的超声波作用、胶带剥离或反复弯曲。这种分子工程策略为开发强大的气体传感器开辟了新的指导方针。相关工作以“A Bioinspired Adhesive-Integrated-Agent Strategy for Constructing Robust Gas-Sensing Arrays”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。
传感器仿生设计及纳米带阵列的制造
为了模拟天然嗅觉受体的结构-功能特征，作者提出了一种粘合剂集成剂 (AIA) 策略，将粘合剂单元（聚（二甲基硅氧烷），PDMS）与传感单元（有机铂（II），Pt-L）整合为一个化学实体（PDMS-Pt-L) 用于构建坚固且灵敏的纳米带阵列气体传感器（图1）。为了模拟嗅觉感觉神经元的排列结构，在硅柱模板的帮助下，通过毛细管桥介导的组装方法，使用制备的PDMS-Pt-L构建纳米带阵列（图2）。PDMS-Pt-L组装成对齐、均匀和周期性的纳米带阵列。两个相邻纳米带之间的间隙约为10.5 µm，接近模板的柱间距。PDMS-Pt-L纳米带的宽度和高度分别为≈1.5 µm和74.1 nm。
图1基于AIA策略的极其坚固的气体传感器的仿生设计
图2纳米带阵列的制造和表征
纳米带阵列的粘附强度和传感器的气敏性能
为了评估PDMS-Pt-L纳米带阵列的粘附能力，作者进行了剪切和拉伸测试（图3）。PDMS-Pt-L纳米带阵列表现出超高剪切强度≈7.05×106 N m-2和抗拉强度≈5.07×106 N m-2，几乎是Pt-L纳米带阵列的五倍，揭示了PDMS-Pt-L 纳米带阵列和基板之间形成了坚韧的粘附。这些结果证实，AIA策略可以显着增强设计的纳米带阵列的界面粘合强度。此外，作者通过将金电极沉积到所制备的纳米带阵列上来构建气体传感器，然后将两个探针小心地与两端金接触用于检测电信号的电极（图4）。对于不同种类的挥发性有机气体，PDMS-Pt-L传感器在1000 ppm的相同浓度下对乙醇气体表现出良好的选择性。PDMS-Pt-L传感器的传感响应在乙醇浓度从50 ppm增加到1000 ppm期间增强，并且在50到400 ppm范围内具有良好的线性相关性。PDMS-Pt-L传感器的传感响应即使在50次循环后也保持不变，表明其良好的重现性和稳定性。
图3纳米带阵列的粘附强度
图4 PDMS-Pt-L传感器的气敏性能和机理
传感器的机械和气体传感稳健性
PDMS-Pt-L和Pt-L纳米带阵列在刚性或柔性基板上的机械和气体传感稳健性通过不同的积极机械测试进行评估（图5）。PDMS-Pt-L纳米带阵列的排列结构及其对1000 ppm乙醇的传感响应即使在超声处理10分钟后仍保持稳定。Pt-L纳米带阵列随着超声时间的增加逐渐破裂和剥落，超声处理10分钟后几乎没有留下阵列，导致乙醇传感信号丢失。经过10次透明胶带分离循环后，PDMS-Pt-L纳米带阵列保持完整的结构和相对稳定的对1000 ppm乙醇的传感响应，而Pt-L纳米带阵列部分从感应信号较弱的基板。与Pt-L纳米带阵列的传感响应降低相比，PDMS-Pt-L纳米带阵列的形态和气敏响应在1000次弯曲循环后仍保持稳定，弯曲角度约为40°。此外，作者在柔性PEN基板上构建了可穿戴气体传感器，以将应用场景推进到未来的可穿戴消费电子产品中。PDMS-Pt-L传感器可以附着在手腕上防止反复弯曲，表现出优异的变形适应性。
图5 PDMS-Pt-L传感器的机械和气体传感稳健性
小结：作者提出了一种粘合剂集成剂 (AIA) 策略，将粘合剂单元PDMS与传感单元整合为一个化学实体（PDMS-Pt-L) 用于构建坚固且灵敏的纳米带阵列气体传感器。受益于传感单元的气桥超交换电子耦合，阵列传感器具有高效的灵敏度、可逆的响应恢复和对乙醇气体的良好选择性。粘合剂单元的结合使传感器阵列能够以高达≈7.05×10 6 N m -2的高剪切强度强力粘附到支撑基板上。这些特性使设计的传感器具有出色的机械和传感鲁棒性，可抵抗强超声波、胶带剥离和反复弯曲，显示出在复杂环境中稳定可靠的气体监测的巨大潜力。
全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202106067
来源：高分子科学前沿
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