一維空心圓柱形碳納米管納米結構自被發(fā)現(xiàn)以來，在納米技術的發(fā)展中起著至關重要的作用。在技術方面，碳納米管既有原始形式的應用，也有納米復合形式的應用。因此，碳納米管可以根據(jù)不同的目的與各種導電和非導電基質(zhì)復合。在傳感技術方面，多功能碳納米管納米復合材料取得了重大突破。

在這方面使用的常見基質(zhì)包括共軛聚合物，如聚（3,4-乙烯二氧噻吩）、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺等，以及一些熱塑性塑料，如聚酰胺、聚氨酯等。在這些基質(zhì)中，碳納米管可以形成電子或電荷傳輸?shù)臐B透網(wǎng)絡，并且還可以形成界面相互作用以獲得良好的相容性、穩(wěn)定性和魯棒性。碳納米管納米復合材料的傳感特性取決于其與分析物（氣體/離子、生物分子或運動）之間的相互作用。因此，碳納米管納米復合材料已被用于開發(fā)高效的氣體傳感器、應變傳感器和生物傳感器。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，西北工業(yè)大學NPU-NCP新型納米材料缺陷工程國際聯(lián)合研究中心的研究人員在e-Prime - Advances in Electrical Engineering, Electronics and Energy期刊上發(fā)表了題為“Highpoints of carbon nanotube nanocomposite sensors - A review”的綜述文章，闡述了基于碳納米管納米復合材料的傳感技術領域的最新進展。這篇綜述在碳納米管納米復合材料傳感器領域具有開創(chuàng)性的意義，包括概述、涵蓋的文獻和整體傳感器設計到效率研究。文中綜述了多功能傳感器的設計和加工方法，為該領域的研究人員提供了有價值的資料。

碳納米管是一種碳納米同素異形體，碳原子以sp2雜化形成六角形結構，進而構成空心管狀納米結構。碳納米管有單壁、雙壁以及多壁碳納米管納米結構。獨特的碳納米結構實現(xiàn)了高表面積和優(yōu)異的物理特性。這種獨特的納米結構是通過多種技術制備的，如化學氣相沉積、激光燒蝕、電弧放電、催化生長和有機途徑。

單壁、雙壁和多壁碳納米管的基本結構

文獻中廣泛研究了各種納米結構對氣體、離子和化學物質(zhì)的傳感性能。除了有利的結構和物理特性外，碳納米管還具有惰性和生態(tài)特性，可在很多實際應用場景中使用。碳納米管的重要傳感特性包括電子和電荷傳輸。碳納米管因其良好的靈敏度、選擇性和快速響應特性，已被應用于各種傳感領域。

氣體傳感器

由于碳納米管與氣體分子的吸附、連接和鍵合相互作用，碳納米管已成功地應用于氣體傳感器設計。以納米復合材料的形式，碳納米管基納米材料具有優(yōu)異的導電性、耐久性和分子傳感性能。根據(jù)聚合物的結構，碳納米管可能會產(chǎn)生π-π相互作用，以利于電子和電荷通過系統(tǒng)。在氣體分子中，已經(jīng)對碳納米管納米復合材料進行了測試，發(fā)現(xiàn)其對氮、碳、硫和其它蒸汽的氧化物有效。

非共軛聚合物如聚酰胺/碳納米管納米復合材料已被應用于氣體傳感。共軛聚合物（聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩）的納米復合材料經(jīng)常被制造和研究用于傳感。這種設計已被應用于形成用于NOx檢測的傳感器。此外，導電聚合物/碳納米管納米復合材料顯示出對甲烷、鹵素以及碳、硫和氮的氧化物等氣體的傳感。同樣，基于聚苯胺和聚吡咯納米復合材料的高效氣體傳感設計已用于氨氣傳感，也已在文獻中報道。

聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯/多壁碳納米管和聚苯胺/多壁碳納米管納米復合薄膜的高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像

應變傳感器

除了氣體傳感，應變傳感領域也是具有良好電/光學響應的納米復合材料的不可或缺的應用。特別是，在包括應變傳感在內(nèi)的多方面?zhèn)鞲蓄I域，填充導電納米填料的聚合物納米復合材料對目標分析物具有良好的穩(wěn)定性和靈敏度。對于應變傳感，熱塑性塑料和共軛聚合物納米復合材料也被采用。熱塑性塑料，如聚氨酯和填充導電碳納米顆粒的共軛基質(zhì)，已被應用于應變傳感器的設計。

熱塑性聚氨酯/羥乙基棉纖維素納米纖維/碳納米管納米復合材料的合成路線

在共軛聚合物中，聚苯胺、聚吡咯、聚（3,4-乙烯二氧噻吩）等已被應用于應變傳感設計。相關的納米復合材料包括填充納米碳納米顆粒（如碳納米管、炭黑、石墨烯等）的導電聚合物。導電納米顆粒可以在基質(zhì)中形成滲透網(wǎng)絡，以促進電子傳輸特性。基本上，應變傳感性能依賴于納米復合材料的滲透和電子導電性特征。由于緊密的微觀結構有利于電子通過系統(tǒng)，應變傳感納米材料具有高效的傳感響應。

聚苯胺包覆碳納米管納米復合材料的掃描電鏡圖

生物傳感器

納米復合傳感器也為生物和化學物質(zhì)的檢測提供了機會。聚合物/納米碳，特別是聚合物/碳納米管納米復合材料已被報道用于高效的生物傳感。據(jù)報道，幾種基于碳納米管的生物傳感器設計具有高的表面與體積比、導電性、電催化活性、可再現(xiàn)性、靈敏度和對生物分子的快速響應。為了開發(fā)具有附加值的納米生物傳感器，需要采用協(xié)同分子建模和實驗技術來更好地分析目標生物分子。

基于單壁碳納米管的場效應晶體管傳感器，用于檢測SARS-CoV-2抗原

總而言之，研究人員報道了高效的碳納米管納米復合材料在氣體傳感、應變傳感和生物傳感應用方面的設計。對于這些傳感器，碳納米管已經(jīng)在熱塑性材料和共軛基質(zhì)中得到增強。迄今為止的文獻報道表明，選擇特定的聚合物基質(zhì)和制造策略從根本上提高了高科技傳感設計的選擇性、靈敏度、線性電阻響應和可再現(xiàn)性。使用共軛聚合物和碳納米管納米填料，可以在基質(zhì)中形成更好的電子轉(zhuǎn)移滲透網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)納米材料的傳感特性。因此，所開發(fā)的設計已被發(fā)現(xiàn)能更好地感知氣體分子、運動變化和生物種。因此，研究人員的這項工作有益地突出了基于聚合物/碳納米管納米復合材料的傳感器領域的進展，并可為該領域的科學家和研究人員提供有價值的指導，以進一步研究相應的發(fā)展和范圍。

審核編輯：劉清