清华大学化工系张如范

xinqing

气流传感器在航空航天、气象预测、环境监控、生物医药、电子皮肤、可穿戴设备及集成智能设备等领域有十分重要的应用。然而，传统的气流传感器响应速率慢、灵敏度低、检出限高、检测范围窄和回滞较大，严重限制了相关应用。近日，化工系张如范副教授课题组在制备超灵敏碳纳米管气流传感器方面取得重要进展，首次提出了利用超长碳纳米管悬空网络（SCNTN）制备超灵敏气流传感器的概念，制备出了结构独特的碳纳米管气流传感器，展示出优异的性能。

图：SCNTNs气流传感器的制备及其优异性能

        碳纳米管直径小，长径比大，柔性好，密度小，力学和电学性能优异，是制备高性能气流传感器的理想材料。然而，由于碳纳米管制备技术的限制，以前研究中多采用聚团状碳纳米管宏观体，或用碳纳米管粉体与其他材料的体相复合材料做传感部件。这些设计无法发挥碳纳米管自身的结构和性能优势，使传感性能大打折扣，灵敏度差、响应速度慢、检测范围小，与传统气流传感器相比体现不出优势。同时，基于复合体相材料的气流传感器结构复杂，传感机理不明晰，难以为高性能气流传感器的设计提供指导。
        张如范课题组充分发挥制备结构完美的超长碳纳米管的特长，提出了用超长碳纳米管悬空网络制备超灵敏气流传感器的思路（图a-d），并发展了一种简便制备超长碳纳米管悬空网络的技术。以此悬空网络作为传感体，组装电极和封装，制得了原型器件。测试表明，其响应时间非常短（0.021 s），灵敏度高（0.0124 s m-1），检测阈值低（0.11 m s-1），检测范围宽（0.11~5.51 m s-1），综合性能显著优于目前大多数报道，充分展示了超长碳纳米管的超轻超细悬空网络结构所具有的优异力学和电学性能及极好的柔性带来的性能革新（图f-k）。
        该成果以“基于悬空碳纳米管网络的超灵敏气流传感器”（Ultrasensitive Airflow Sensors Based on Suspended Carbon Nanotube Networks）为题发表在Wiley出版集团旗下的材料领域知名期刊Advanced Materials（《先进材料》）上。研究论文的第一作者为化工系直博生姜沁源和李润，通讯作者为张如范副教授。该研究工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。
        论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202107062