水分是自然環境中普遍存在的元素，其在傳感表面的競争性吸附會阻礙目标氣體與活性位點的互相作用，對基于電子信号傳輸的傳統氣體傳感裝置的應用提出了挑戰。是以，迫切需要探索更有效的濕态氣體傳感政策，以促進在高濕及水下環境的實際應用。
自然界中生物已經進化出了多尺度濕态氣體傳感界面（圖1），其在生物流體環境中具有優化的物質傳輸路徑，這為開發具有優異的濕态氣體傳感能力和實際應用的人造對應物提供了啟發。在此，國家納米科學中心陳玉鵬/中國科學技術大學朱忠鵬合作，突出了多尺度界面設計賦予的高效物質傳輸路徑，對濕态氣體傳感的目前研究進展進行了系統回顧。讨論了用于濕态氣體傳感的常見抗濕（如采用抗濕傳感材料、後修飾抗濕塗層、實體加熱抗濕和自去除羟基）和吸濕（如采用吸濕傳感材料和後修飾吸濕塗層）政策（圖2）。進而提出了仿生多尺度濕态氣體傳感界面的設計原則，包括宏觀尺度的凝結調控、微/納米尺度的傳輸路徑調節和分子尺度的抗濕設計（圖3）。最後，對建構仿生多尺度濕态氣體傳感界面提出了展望，不僅将加深我們對其基本原理的了解，而且将促進其在高濕室内氣體檢測、基于呼出氣體的早期疾病診斷、水下痕量氣體監測、極地環境氣體檢測和高空有害氣體檢測等場景的實際應用。
圖1.自然界中的多尺度嗅覺傳感界面。駱駝鼻子由具有高度卷曲結構的鼻骨和吸濕性粘液組成，使它在幹旱的沙漠中具有靈敏的濕度檢測能力。狗鼻子具有複雜的分支和卷曲結構，在陸地環境中可以實作超低濃度的氣味感覺。錘頭鲨鼻腔嗅覺薄片上覆寫着存在嗅覺受體的嗅覺纖毛，通過超快神經信号傳輸，實作水下氣味追蹤。
圖2.濕态氣體傳感的目前研究進展，主要包括抗濕（如使用抗濕傳感材料、後修飾抗濕塗層、實體加熱抗濕和通過表面反應自去除羟基）和吸濕（如采用吸濕傳感材料和後修飾吸濕塗層）政策。
圖3.多尺度濕态氣體傳感界面，包括宏觀尺度的凝結調控（如圖案化潤濕性和超疏水圖案），用于及時去除凝結水或防止凝結，微/納米尺度（如分級表面和孔結構）調節氣體傳輸路徑，以促進分子擴散，分子尺度抗濕（如直接合成和後改性），用于構築超疏水篩分層以有效去除水分子。該成果以“Bioinspired multi-scale interface design for wet gas sensing based on rational water management”(《基于合理水管理的濕态氣體傳感仿生多尺度界面設計》)為題，發表在英國皇家化學會期刊Materials Horizons上。本文通訊作者為國家納米科學中心陳玉鵬副研究員和中國科學技術大學朱忠鵬研究員，該研究項目受到國家自然科學基金（52003012和22002005）和北京市自然科學基金（2232071）的資助。作者簡介
朱忠鵬：中國科學技術大學蘇州高等研究院，特任研究員本文通訊作者，2014年大學畢業于吉林大學，唐敖慶理科實驗班。2019年博士畢業于中國科學院理化技術研究所，導師為江雷院士。同年加入北京航空航天大學卓越百人博士後計劃，合作導師為江雷院士。2022年加入中國科學技術大學蘇州高等研究院，任特任研究員，博士生導師。主要從事多尺度仿生超親液界面的構築及其在資訊能源等領域的應用研究，近年來在Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.，J. Am. Chem. Soc.（2篇），Natl. Sci. Rev.等國内外重要學術期刊上發表論文30餘篇，獲批江蘇省創新領軍，姑蘇創新創業領軍。
陳玉鵬：國家納米科學中心，副研究員本文通訊作者，目前在國家納米科學中心中國科學院納米生物效應與安全性實驗室，提出生物标志氣體分子誘導限域空間溶劑化離子快速傳輸實作高效濕态氣體傳感，緻力于構築具有多尺度結構的仿生濕态功能化平台，探究其在粘附、傳感和治療方面的協同效應，促進其在生物醫藥領域的實際應用。2019年博士畢業于中國科學院理化技術研究所中國科學院仿生材料與界面科學重點實驗室，師從王樹濤研究員，之後在北京航空航天大學開展博士後研究工作，導師是江雷院士。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等期刊發表論文30餘篇。
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論文資訊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.,2024https://doi.org/10.1039/D4MH00538D來源：高分子科學前沿