化學與材料科學 - 桂工陸紹榮教授和湖南大學蔡仁教授 Small：用於火焰和濕度高靈敏度檢測的雙功能傳感器－鑽石舞台

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近日，桂林理工大學陸紹榮教授課題組和湖南大學蔡仁教授課題組合作報道了一種多功能傳感器，相關成果以「A Dual-Function Sensor for Highly Sensitive Detection of Flame and Humidity」為題發表在國際化學權威雜誌Small上，論文的第一作者為桂林理工大學與湖南大學材料科學與工程學院聯合培養的博士生張作才，通訊作者為蔡仁教授，共同通訊作者為桂林理工大學陸紹榮教授。此研究得到國家自然科學基金（51763009, 51605109, 22004032）、廣西科技重大專項（AA18242010 和 AA18242008）等項目資助。

隨着5G時代的到來，智能柔性傳感器作為一種關鍵的智能柔性電子產品，引起了人們的廣泛關注。通過將濕度和溫度等變化轉化為可讀的電信號，這些傳感器已被廣泛應用於環境監測、智能穿戴設備、火災報警設備、個性化健康監測和智能電子皮膚等領域。然而，大多數智能傳感器在特殊應用中功能單一或缺乏環境穩定性。因此，開發一種綠色、環保、高效的多功能傳感器並將其集成在一個智能系統中監測火災隱患和濕度是非常必要的。

圖1 MSCG膜的製備：（a）劍麻纖維；（b）接枝劍麻納米纖維（MgC）；（c）MgC透射電鏡圖像；（d）蠶繭；（e）蠶絲納米纖維（SNF）；（f） SNF的SEM圖像；（g）劍麻纖維結構示意圖；（h）蠶絲纖維結構示意圖；（i）MSG膜的製備工藝；（j） MSCG膜的製備工藝；（k）MSCG膜

針對提高器件多功能應用需求，賦予傳感器濕度敏感性、火焰報警性和耐久性，陸紹榮教授團隊從分子結構設計出發，引入-COOH基團提高劍麻納米纖維素的成膜性，同時引入蠶絲納米纖維和石墨烯，利用蠶絲納米纖維分子上的-NH2基團與劍麻納米纖維素分子上的-COOH基團反應結合以及石墨烯的協同作用提高火焰報警傳感性能。並採用檸檬酸（CA）進行交聯提高力學強度，MSCG膜在100℃的水中浸泡後表現出良好的濕強度（128.8 MPa）和快速的濕度響應時間（0.9 s），同時火焰報警系統的響應/恢復時間為1.2 s/2.4 s。並且MSCG膜在重複乾燥-噴水-乾燥的過程和重複火焰-空氣-火焰的過程中表現出良好的濕度和火焰傳感性能且電信號輸出性能均非常穩定。通過該方法製備了一種具有快速濕度響應、火災報警響應、溫度響應和良好濕強度和耐久性的可持續生物膜（MSCG），可作為濕度和火焰雙功能傳感器用生物降解膜材料。

圖2（a）基於MSCG薄膜的循環濕度傳感器器件示意圖；（b-c）固定噴水次數時的時間與電流的關係曲線；（d） MSCG膜在25 ℃和100 ℃時的吸水性能；（e）MSCG膜的載重照片；（f）MSCG膜的拉伸應力-應變曲線；（g）基於MSCG膜的循環火災報警傳感器裝置示意圖；（h-i）MSCG膜暴露在火焰源下的循環電流響應曲線

圖3 MSCG膜濕度傳感器監測的四種呼吸模式下的實時電流變化：（a-b）正常呼吸；（c）緩慢呼吸；（d-e）快速呼吸；（f）不規則的呼吸

此外，以前期研究成果為基礎，利用MSCG膜中的CA可以產生額外的離子，能顯著降低MSCG膜在高相對濕度（RH）條件下電阻的特性。通過成人在不同狀態下的呼吸實驗，在模擬快速呼吸的實驗中，所設計的多功能傳感器的響應/恢復時間非常快速，達到了0.38 s/0.75 s（52−100% RH）。因此，可以將MSCG膜組裝成一種多功能智能傳感器系統，並通過智能設備實時監測。該工作為多功能傳感器在火災事故監測、環境濕度、個人健康監測和呼吸診斷分析方面的研究提供了新的思路。