类昆虫三维管状结构气体敏感材料的仿生制备表征与模拟研究

The design and development of novel sensitive materials is an important hotspot for recent materials research. In the traditional research on sensitive materials, component design or formula change are two main methods but relatively simple. As in nature the most diverse, most comprehensive rapid evolutionary creatures - insects, in the case of the main components of the sensitive organs (sensilla) are chitin, only by changing the micro-hierarchical structure of these sensilla to enhance the corresponding sensitive functions or to achieve the effect of different sensitivity. Inspired from the insects sensilla strategy, biomimetic sensor materials with different hierarchical tubular structure will be intensively studied. Normal gas-sensitive sensor materials and optical gas-sensitive materials are developed based on the different structure characteristics of the tubular wall (depend on the pores distribution on the tubular wall). Moreover, the coupling effects of the hierarchical structures of the tubular sensitive materials on the corresponding properties are carefully studied and simulated. Different tubular structure characteristics (including pipe size, aspect ratio, wall hole characteristics, etc.) are all measured and modulated for the further simulation. Based on the simulation results, both the components and structure optimization will be carried out to enchance the sensitivity properties of the materials.

成分设计是提升敏感材料性能的主要手段，但过于复杂的配方易导致制备工艺复杂与性能控制困难；反观自然生物，尤其是昆虫，在主要组分均为甲壳素的情况下，仅通过改变其敏感器官（感器）的微观分级结构，就实现了各种优异敏感特性。启迪于此，本项目针对具有不同管壁显微分级结构特征的昆虫管状感器进行仿生制备。即基于具有不同管壁特征（管壁孔洞的分布规律）的昆虫管状感器，采用化学物理耦合方法，精细调控制备兼具原始昆虫管状感器显微分级结构和敏感功能组分的管状敏感材料，重点研究其气体敏感特性。特别针对具有敏感光响应特性的规则孔洞结构敏感材料，研究在不同气氛环境中的光响应特性。通过对管状分级结构的模拟计算设计与调控制备实证，揭示不同管状结构特征（管尺寸、长径比、管壁孔特征等）对敏感功能特性的影响规律。并基于模拟实证结果，进一步优化管状结构，为获得具有更优敏感性能的新型仿生管状结构敏感材料提供理论依据和实用途径。

新型敏感材料的设计与开发是当前材料研究的重要热点方向。项目按照既定研究计划顺利开展。研究表明，由于多孔管状结构具有更好的比表面积和气体流动特性，因此较普通管状结构或实心微米线的功能氧化物气敏材料具有更优的常温气敏特性。这一研究为未来新型气体传感器材料和器件的设计和应用开辟新的途径。主要研究内容和取得的主要结果如下：.（1）为了进行不同结构气敏性能的对比试验，本研究重点针对SnO2组分微米管阵列和单管进行了细致研究。研究结果表明: SnO2微单管对室温下低浓度的氨气，甲醛，H2S十分敏感。SnO2微管的多孔刚毛结构，极大的反应面积，和高效率的气体扩散隧道使得它具有优越的气敏性能。获得发明专利一项，专利号：CN201210293859.7。在国际材料化学重要期刊Journal of Materials Chemistry A（2014. 2(13): p. 4543-4550. IF:7.443），并被选为封面文章和国际重要无机化学期刊Dalton Transactions（2015(44): p. 7911-7916. IF:4.197）发表;.（2）针对管状结构的特殊光学结构和光耦合效应，进行FDTD数值模拟和优化计算。通过模拟和优化设计，一方面针对现有的三维分级结构进行光学模拟，找出其光气敏特性的机理，另外在此模拟的基础上进一步的优化设计，提炼关键纳米光学结构，为进一步的制备设计光气敏材料提供理论依据。目前已就相关拟实优化工作发表4篇SCI论文，包括Optics Letters (2013. 38(2): p. 169-171.；2014;39:4208-11. IF:3.292)和自然期刊集团子刊Scientific Reports, 2013. 3: p. 3427. 2014. 4: p. 05591..IF:5.578)。.（3）此外为了进一步的深入介绍和总结相关蝶翅仿生结构功能材料的制备表征和模拟设计研究，在项目的支持下，撰写多篇该领域综述文章。其中关于蝶翅表征、模拟和仿生制备的综述论文发表在材料领域权威期刊材料科学进展上。(Progress in Materials Science. IF: 27.417)，而针对仿生功能材料的研究综述发表在先进材料(Advanced Materials. IF:17.493)。