基于导电高分子/无机一维纳米复合材料的透明、柔性薄膜构筑及传感器件

Considerable research efforts have been attracted in the chemical gas sensors because of the potential applications in industrial production, home security, medical and military fields. Along with the technical development of wearable and portable equipments and transparent devices with invisible properties, there is a tremendous demand for exploiting the flexible, portable and invisible chemical gas sensors with high sensing function, which can meet the developing detecting requirements. Here we attempt to fabricate 1D nanocomposite materials with “skeleton/skin” structure by combining the superior sensor selectivity of conducting polymer and excellent sensor sensitivity of 1D inorganic nanomaterials with the help from the in situ polymerization, supramolecular assembly and electrospinning. The 1D nanocomposite materials could be employed to construct network-like or aligned network-like transparent films. With the detailed investigation of polymerization, assembly, electrospinning, formation of nanocomposite and coating procedures, artificially flexible, invisible and portable “electronic nose” devices are desired to be well established, which would be comparable to biological olfactory system. It is anticipated that this line of research can be further extended to deepen the development on nanocomposite materials and functional chemical sensing materials, to provide the rich theoretical basis and material basis for the novel nano-electronic devices, and to enrich the subdiscipline of polymer, nanocomposite materials, nanochemistry, and sensing technology with important scientific significance and practical value.

气体传感检测广泛应用于工业生产、家庭安全、医疗和军事等领域，一直以来都是研究的热点之一。随着可穿戴设备成为科技发展趋势以及透明器件具有的隐形优势，开发出柔性、隐形、高传感性的气体传感材料及器件符合时代发展并具有实用价值。本申请拟利用原位聚合、超分子自组装、静电纺丝等方法将“导电高分子”气敏选择性好和“无机一维纳米材料”气敏灵敏度高的优势结合在一起，构筑新型一维或准一维“皮肤包覆骨骼（skeleton/skin）”式纳米复合材料，在柔性基底上组装有序/无序网络状透明薄膜，研究聚合、组装条件、复合及涂膜顺序与薄膜构效关系，开发隐形、便携、高传感性的可媲美生物嗅觉体系的“人工电子鼻”式柔性透明传感材料及器件。深化纳米复合结构及化学传感特性研究，为新型功能传感材料、纳米电子器件等提供丰富的理论依据和材料基础；充实高分子、复合材料、纳米化学、传感技术等分支学科，具有重要的科学研究意义和实际应用价值。

随着可穿戴设备逐渐成为科技发展的趋势，开发出柔性、透明、高传感性的气体传感材料及器件符合时代发展并具有实用价值。本项目将高分子材料科学与纳米技术紧密交叉,利用原位聚合、超分子自组装等方法在柔性基底上可控制备网络状功能高分子复合材料薄膜,并组装成柔性、透明电子学传感器。通过调整聚合和组装条件等，实现纳米复合材料的可控合成及组装，并对其结构、性能、二者之间的联系及作用机理等问题进行系统研究；实现了高灵敏度、透明、稳定、便携的环境有害物质传感器的制备。通过以银纳米线网络为模板的牺牲模板法的诱导聚合，成功获得了具有大比表面积的聚苯胺网络导电薄膜(Small, 2015, 11, 306)；并成功组装了薄膜传感器，实现了肾衰竭患者标志性呼出气氨气的高响应值、良好选择性的传感。通过调控溶液中功能化碳纳米管的浓度，使其小于接触浓度并处于极稀的悬浮分散状态；向此溶液中加入苯胺单体，通过苯胺与碳纳米管之间的超分子作用形成组装体；在聚合氧化剂的引发下发生高分子聚合反应；由于聚合后导电高分子急剧下降的溶解性，以及经等离子体处理的富含羟基的亲水柔性基底表面可与高分子复合材料形成超分子作用，促使复合材料在基底上均匀沉积；因此在柔性基底上可控合成了表面长有颗粒状聚苯胺的碳纳米管复合材料相互交叉连接的网络状结构(Small, 2015, 11, 5409)。借助高分子复合材料的协同效应，和网络状结构的大比表面积、高效信号定向传导、有效活性传感面暴露与可调控的机械性能等，实现了面向可穿戴设备的高响应性、高选择性的柔性薄膜传感器的制备和室温传感。本项目有助于深入理解纳米复合材料的生长过程、组装条件及性能，为高性能高分子器件化材料的发展积累宝贵的经验，为环境污染的有效监控、人居环境的有效监测、工业及军事领域的高效预警检测等领域提供丰富的理论依据和材料基础。在Adv. Funct. Mater.、Small等期刊上发表了7篇论文，培养研究生4名。