傳感器用于科學(xué)和日常生活的許多領(lǐng)域，從監(jiān)控化工廠的上游和下游過(guò)程到控制自動(dòng)門、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)駕駛車輛?？梢钥隙ǖ卣f(shuō)，傳感器是日常生活中不可或缺的一部分。始終需要提高傳感器的準(zhǔn)確度和精度，以提供更可靠的數(shù)據(jù)。隨著工業(yè) 4.0 的全面實(shí)施臨近，隨著許多制造領(lǐng)域轉(zhuǎn)向物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和大數(shù)據(jù)支持的自動(dòng)化流程，進(jìn)一步優(yōu)化傳感器準(zhǔn)確度和精度的需求變得更加重要。

由于傳感器有許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域，因此傳感器可以通過(guò)許多不同的機(jī)制來(lái)測(cè)量局部環(huán)境的變化。無(wú)論如何，該設(shè)計(jì)將包括一個(gè)主動(dòng)傳感組件來(lái)檢測(cè)環(huán)境的變化。就機(jī)制而言，一些機(jī)制將通過(guò)暫時(shí)結(jié)合到傳感器表面的分子檢測(cè)局部區(qū)域的分析物——這些分子可以是氣態(tài)分子（包括用于濕度傳感的水）、液體或特定化學(xué)物質(zhì)——而一些機(jī)制依賴于傳感材料的物理變形——例如應(yīng)力和應(yīng)變傳感器——而其他傳感器將依賴于局部環(huán)境中的光學(xué)或熱變化來(lái)調(diào)用可檢測(cè)的響應(yīng)。

貫穿所有傳感機(jī)制的一個(gè)共同點(diǎn)是，傳感機(jī)制會(huì)導(dǎo)致整個(gè)傳感材料發(fā)生變化，這使得變化能夠被檢測(cè)和記錄。在許多情況下，傳感機(jī)制會(huì)導(dǎo)致傳感材料的電子特性發(fā)生變化。傳感器讀數(shù)以更易用和可讀的格式輸出這種變化。這種電氣變化可以采取增加傳感材料的電導(dǎo)率（從而增加電壓）的形式，或者通過(guò)增加材料的電阻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。

納米材料的有益特性可產(chǎn)生更高效的傳感器

納米材料固有的薄性質(zhì)

納米材料本質(zhì)上很薄，這在傳感應(yīng)用方面是一個(gè)很大的積極因素。近年來(lái)，使用二維和一維材料的傳感器已被證明可以產(chǎn)生高靈敏度。由于納米材料非常薄，它們的相對(duì)表面積通常很高。因此，納米材料不僅使傳感器更小，而且與使用散裝材料相比，它們提供了更大的感應(yīng)表面積。更高的感應(yīng)表面積意味著與其他材料相比，表面上可能有更多的“感應(yīng)點(diǎn)”。由于材料非常薄，缺陷——特別是帶電空腔——可以被引入納米材料的表面，這是納米材料可以使傳感器對(duì)某種類型的分子具有選擇性的一種方式。這可以是特定氣體，例如氨氣、甲烷、或水蒸氣 - 或流動(dòng)液體中的特定化學(xué)物質(zhì)。此外，設(shè)計(jì)人員可以使用一些表面來(lái)創(chuàng)建特定于一種分子的定義區(qū)域和針對(duì)不同分子的其他區(qū)域。這使得基于納米材料的傳感器具有多傳感能力。

納米材料的柔性特性

它們的纖薄還有另一個(gè)方面，那就是柔韌性。并非所有的納米材料都是柔性的，但那些柔性的納米材料（例如石墨烯）可以在不斷裂的情況下發(fā)生較大程度的變形，這再次改變了納米材料的導(dǎo)電性（可檢測(cè)到）。許多柔性納米材料還具有很高的抗拉強(qiáng)度——看看石墨烯就知道它是所有單一材料中已知抗拉強(qiáng)度最高的。因此，一些納米材料的柔韌性可以成為一種傳感機(jī)制，能夠恢復(fù)到原來(lái)的構(gòu)象，使用壽命長(zhǎng)。在許多情況下，納米材料在壓力下也可以表現(xiàn)相同，并提供可檢測(cè)的響應(yīng)。

納米材料的導(dǎo)熱性能

一些納米材料還具有導(dǎo)熱性，可以暴露在大量熱量下，這是溫度傳感器的理想特性。在這些情況下，當(dāng)局部溫度升高時(shí)，可以通過(guò)納米材料的熱阻率下降來(lái)檢測(cè)。

納米材料的光學(xué)特性

一些納米材料的另一個(gè)有益特性是它們的光學(xué)特性。一些納米材料具有光吸收特性，當(dāng)與高電導(dǎo)率和電荷載流子遷移率相結(jié)合時(shí)，可以作為高靈敏度的光電探測(cè)器。在某些情況下，這可以從可見光擴(kuò)展到電磁波譜的其他區(qū)域，例如紫外線輻射。

納米材料的電導(dǎo)率和載流子遷移率

我們已經(jīng)討論了納米材料的不同機(jī)制和特性如何幫助引起納米材料和/或其他傳感表面的電導(dǎo)率發(fā)生變化。但是，導(dǎo)電性和載流子遷移率——電子和空穴等帶電粒子穿過(guò)原子晶格的能力——本身就是許多納米材料擅長(zhǎng)的兩個(gè)特性。許多納米材料具有高度導(dǎo)電或半導(dǎo)電的電子特性，這與高電荷載流子遷移率一起，通過(guò)對(duì)微小變化的響應(yīng)顯著提高，使納米材料上的電變化顯著更加敏感。

對(duì)于那些表現(xiàn)出半導(dǎo)體特性的納米材料，它們可用于檢測(cè)具有受體和供體電子特性的分子。半導(dǎo)體納米材料可以采用導(dǎo)致空穴從價(jià)帶耗盡的機(jī)制——從而增加納米材料的電阻率——或?qū)е码娮舆w移到導(dǎo)帶的機(jī)制——從而增加電導(dǎo)率。這兩種機(jī)制都可以通過(guò)納米材料上施加電壓的變化輕松檢測(cè)到。

將納米材料結(jié)合到混合材料中的能力

我們?cè)谏厦鎲为?dú)討論了納米材料，但設(shè)計(jì)人員可以將許多納米材料結(jié)合到混合材料（如復(fù)合材料）中，并以這種形式帶來(lái)好處。當(dāng)它們被納入混合基質(zhì)時(shí)，納米材料將與其他材料分子間結(jié)合。分子間鍵合可以通過(guò)氫鍵（如果納米材料包含極性基團(tuán)）、范德華力和 π-π 堆積來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些分子間相互作用使有效的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制能夠在雜化材料中存在離域電子的地方（特別是在形成 π 電子網(wǎng)絡(luò)的地方）發(fā)生。與它們不包含在矩陣中時(shí)相比，這提供了更有效的傳導(dǎo)機(jī)制，從而導(dǎo)致更高的靈敏度。

結(jié)論

并非所有納米材料都適用于傳感應(yīng)用，但那些可以顯著提高傳感器傳感能力的材料優(yōu)于其他材料?？偟膩?lái)說(shuō)，有一系列有益的特性——從高表面積到導(dǎo)熱性、高導(dǎo)電性和電荷轉(zhuǎn)移特性——設(shè)計(jì)人員可以使用這些特性來(lái)提供比其他傳感材料更準(zhǔn)確的傳感機(jī)制。

傳感器使用納米材料的領(lǐng)域很多，包括但不限于應(yīng)力/應(yīng)變計(jì)、各類生物傳感器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、光學(xué)傳感器、電容傳感器、壓電傳感器和壓阻傳感器.

利亞姆·克里奇利 ( Liam Critchley ) 是一位作家、記者和傳播者，專門研究化學(xué)和納米技術(shù)，以及分子水平的基本原理如何應(yīng)用于許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域。利亞姆最出名的可能是他的信息豐富的方法以及向科學(xué)家和非科學(xué)家解釋復(fù)雜的科學(xué)主題。Liam 在與化學(xué)和納米技術(shù)交叉的各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域和行業(yè)發(fā)表了 350 多篇文章。

Liam 是歐洲納米技術(shù)工業(yè)協(xié)會(huì) (NIA) 的高級(jí)科學(xué)傳播官，過(guò)去幾年一直在為全球的公司、協(xié)會(huì)和媒體網(wǎng)站撰稿。在成為一名作家之前，利亞姆完成了化學(xué)與納米技術(shù)和化學(xué)工程的碩士學(xué)位。

除了寫作之外，利亞姆還是美國(guó)國(guó)家石墨烯協(xié)會(huì) (NGA)、全球組織納米技術(shù)世界網(wǎng)絡(luò) (NWN) 的顧問委員會(huì)成員，以及英國(guó)科學(xué)慈善機(jī)構(gòu) GlamSci 的董事會(huì)成員。Liam 還是英國(guó)納米醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì) (BSNM) 和國(guó)際先進(jìn)材料協(xié)會(huì) (IAAM) 的成員，以及多個(gè)學(xué)術(shù)期刊的同行評(píng)審員。