Small:一维、二维和三维纳米纤维素材料在传感器中的应用

物联网的飞速发展及智能社会的构建催生了对传感器的大量需求,同时也对传感器提出了更高的要求。在新型高效传感器的设计研究中,纳米纤维素作为一种源于自然的绿色纳米材料,引起了研究者的极大兴趣,其在传感器设计中可承担不同角色,如分散剂、载体和模板等。近几年,相应研究快速发展(图1)。实际上,纳米纤维素自身为一维纳米材料,具有较大的比表面积和长径比。此外,得益于优异的成膜性,纳米纤维素可进一步加工成二维材料。而利用其表面活性官能团及自身物理缠绕等特点,纳米纤维素还可制成三维材料(如水凝胶和气凝胶等)。众所周知,结构与性能之间具有较强的相关性,不同维度材料具有不同的特点,这为纳米纤维素用于传感器设计提供了极大的自由度,可满足不同传感器的设计需求。

图1. a) The proportion of articles on nanocellulose for sensing applications published each year from 2011-2019. b) The total times cited each year from 2011-2019. (The data were collected on Web of Science with the keywords of “nanocellulose” and “sensor”). (Small 2020, 1906567)

作者根据自身在传感器与纳米纤维素功能材料研究领域的积累,首次从不同维度纳米纤维素材料角度出发,全面分析了目前纳米纤维素(包括纳纤化纤维素,纳晶化纤维素及细菌纤维素)在传感器领域的研究成果,指出不同维度纳米纤维素材料的结构与性能特点,进而强调了其对相应传感器设计及应用性能的影响。该工作具体将纳米纤维素材料按照一维、二维及三维进行划分,并在每一类纳米纤维素材料下详细总结了包括物理传感器、生物传感器及化学传感器等不同类别传感器的研究成果,重点指出纳米纤维素在相应传感器中的功能及其对相应传感器性能的影响。文章最后对不同维度纳米纤维素材料的优缺点及其在不同类别传感器中的研究进行了对比总结,并指出了纳米纤维素这一绿色可持续纳米材料未来在传感器设计研究中的可能方向。相关论文在Small (DOI: 10.1002/smll.201906567)在线发表。文章第一作者为陕西科技大学轻工科学与工程学院戴磊副教授,通信作者为山东大学晶体材料国家重点实验室刘宏教授与陕西科技大学客座教授、加拿大新不伦瑞克大学化工系倪永浩教授。