国家纳米科学中心陈玉鹏/中国科大朱忠鹏Mater. Horiz.：基于合理水管理的湿态气体传感仿生多尺度界面设计

水分是自然环境中普遍存在的元素，其在传感表面的竞争性吸附会阻碍目标气体与活性位点的相互作用，对基于电子信号传输的传统气体传感设备的应用提出了挑战。因此，迫切需要探索更有效的湿态气体传感策略，以促进在高湿及水下环境的实际应用。

自然界中生物已经进化出了多尺度湿态气体传感界面（图1），其在生物流体环境中具有优化的物质传输路径，这为开发具有优异的湿态气体传感能力和实际应用的人造对应物提供了启发。在此，国家纳米科学中心陈玉鹏/中国科学技术大学朱忠鹏合作，突出了多尺度界面设计赋予的高效物质传输路径，对湿态气体传感的当前研究进展进行了系统回顾。讨论了用于湿态气体传感的常见抗湿（如采用抗湿传感材料、后修饰抗湿涂层、物理加热抗湿和自去除羟基）和吸湿（如采用吸湿传感材料和后修饰吸湿涂层）策略（图2）。进而提出了仿生多尺度湿态气体传感界面的设计原则，包括宏观尺度的凝结调控、微/纳米尺度的传输路径调节和分子尺度的抗湿设计（图3）。最后，对构建仿生多尺度湿态气体传感界面提出了展望，不仅将加深我们对其基本原理的理解，而且将促进其在高湿室内气体检测、基于呼出气体的早期疾病诊断、水下痕量气体监测、极地环境气体检测和高空有害气体检测等场景的实际应用。

图1.自然界中的多尺度嗅觉传感界面。骆驼鼻子由具有高度卷曲结构的鼻骨和吸湿性粘液组成，使它在干旱的沙漠中具有灵敏的湿度检测能力。狗鼻子具有复杂的分支和卷曲结构，在陆地环境中可以实现超低浓度的气味感知。锤头鲨鼻腔嗅觉薄片上覆盖着存在嗅觉受体的嗅觉纤毛，通过超快神经信号传输，实现水下气味追踪。

图2.湿态气体传感的当前研究进展，主要包括抗湿（如使用抗湿传感材料、后修饰抗湿涂层、物理加热抗湿和通过表面反应自去除羟基）和吸湿（如采用吸湿传感材料和后修饰吸湿涂层）策略。

图3.多尺度湿态气体传感界面，包括宏观尺度的凝结调控（如图案化润湿性和超疏水图案），用于及时去除凝结水或防止凝结，微/纳米尺度（如分级表面和孔结构）调节气体传输路径，以促进分子扩散，分子尺度抗湿（如直接合成和后改性），用于构筑超疏水筛分层以有效去除水分子。

该成果以“Bioinspired multi-scale interface design for wet gas sensing based on rational water management”(《基于合理水管理的湿态气体传感仿生多尺度界面设计》)为题，发表在英国皇家化学会期刊Materials Horizons上。本文通讯作者为国家纳米科学中心陈玉鹏副研究员和中国科学技术大学朱忠鹏研究员，该研究项目受到国家自然科学基金（52003012和22002005）和北京市自然科学基金（2232071）的资助。

作者简介

朱忠鹏：中国科学技术大学苏州高等研究院，特任研究员

本文通讯作者，2014年本科毕业于吉林大学，唐敖庆理科实验班。2019年博士毕业于中国科学院理化技术研究所，导师为江雷院士。同年加入北京航空航天大学卓越百人博士后计划，合作导师为江雷院士。2022年加入中国科学技术大学苏州高等研究院，任特任研究员，博士生导师。主要从事多尺度仿生超亲液界面的构筑及其在信息能源等领域的应用研究，近年来在Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.，J. Am. Chem. Soc.（2篇），Natl. Sci. Rev.等国内外重要学术期刊上发表论文30余篇，获批江苏省创新领军，姑苏创新创业领军。

陈玉鹏：国家纳米科学中心，副研究员

本文通讯作者，目前在国家纳米科学中心中国科学院纳米生物效应与安全性实验室，提出生物标志气体分子诱导限域空间溶剂化离子快速传输实现高效湿态气体传感，致力于构筑具有多尺度结构的仿生湿态功能化平台，探究其在粘附、传感和治疗方面的协同效应，促进其在生物医药领域的实际应用。2019年博士毕业于中国科学院理化技术研究所中国科学院仿生材料与界面科学重点实验室，师从王树涛研究员，之后在北京航空航天大学开展博士后研究工作，导师是江雷院士。至今在ACS Nano, Device, Adv. Funct. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Sci., J. Am. Chem. Soc., ACS Materials Lett., Mater. Horiz., Small, Small Methods等期刊发表论文30余篇。

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论文信息

Yutian Ma, Weifeng Li, Weifang Zhang, Lei Kong, Chengyue Yu, Cen Tang, Zhongpeng Zhu,* Yupeng Chen,* Lei Jiang，Bioinspired multi-scale interface design for wet gas sensing based on rational water management，Mater. Horiz.,2024

https://doi.org/10.1039/D4MH00538D

来源：高分子科学前沿

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