近日，ng28南宫陈玉鹏副研究员和中国科学技术大学朱忠鹏研究员在仿生湿态传感界面领域取得系列研究进展，受英国皇家化学会邀请，以Bioinspired multi-scale interface design for wet gas sensing based on rational water management 为题，在Materials Horizons 期刊上发表综述。
水分是自然环境中普遍存在的元素，严重影响传统电子传感器件的性能。陈玉鹏副研究员与合作者共同提出基于离子信号传输的仿生传感设计，受绿藻视觉系统启发，构筑Janus双场异质膜，作为水下工作人工视觉平台，通过自扩散增强的主动离子传输进行精确光感知（ACS Nano，2024，DOI：10.1021/acsnano.3c12874）；受视网膜启发，构筑Janus单场异质膜纳流体系统，通过光驱动主动离子传输实现自供电长期记忆水下视觉成像（Adv. Funct. Mater.，2024，DOI：10.1002/adfm.202401411）；受人体味觉系统启发，构筑纳流体膜辅助的有机电化学晶体管，提高离子型味觉试剂的识别（Small，2024，DOI：10.1002/smll.202403629）。
对于基于电子信号传输的传统气体传感器件而言，水分子在其表面的竞争性吸附会阻碍目标气体与活性位点的相互作用，对其在湿态环境下的实际应用提出了挑战。因此，迫切需要探索更有效的湿态气体传感策略，以促进在高湿及水下环境的实际应用。结合前期提出的生物标志气体分子诱导限域空间溶剂化离子快速传输实现高效湿态气体传感的设计理念（Device，2024，DOI：10.1016/j.device.2024.100293），团队进一步从分子尺度到微纳尺度，再到宏观尺度，对湿态气体传感界面进行了总结和展望。
自然界中生物已经进化出了多尺度湿态气体传感界面（图1），其在生物流体环境中具有优化的物质传输路径，这为开发具有优异的湿态气体传感能力和实际应用的人造对应物提供了启发。在此，团队突出了多尺度界面设计赋予的高效物质传输路径，对湿态气体传感的当前研究进展进行了系统回顾。讨论了用于湿态气体传感的常见抗湿（如采用抗湿传感材料、后修饰抗湿涂层、物理加热抗湿和自去除羟基）和吸湿（如采用吸湿传感材料和后修饰吸湿涂层）策略（图2）。进而提出了仿生多尺度湿态气体传感界面的设计原则，包括宏观尺度的凝结调控、微/纳米尺度的传输路径调节和分子尺度的抗湿设计（图3）。最后，对构建仿生多尺度湿态气体传感界面提出了展望，不仅将加深我们对其基本原理的理解，而且将促进其在高湿室内气体检测、基于呼出气体的早期疾病诊断、水下痕量气体监测、极地环境气体检测和高空有害气体检测等场景的实际应用。
图1. 自然界中的多尺度嗅觉传感界面。骆驼鼻子由具有高度卷曲结构的鼻骨和吸湿性粘液组成，使它在干旱的沙漠中具有灵敏的湿度检测能力。狗鼻子具有复杂的分支和卷曲结构，在陆地环境中可以实现超低浓度的气味感知。锤头鲨鼻腔嗅觉薄片上覆盖着存在嗅觉受体的嗅觉纤毛，通过超快神经信号传输，实现水下气味追踪。
图2. 湿态气体传感的当前研究进展，主要包括抗湿（如使用抗湿传感材料、后修饰抗湿涂层、物理加热抗湿和通过表面反应自去除羟基）和吸湿（如采用吸湿传感材料和后修饰吸湿涂层）策略。
图3. 多尺度湿态气体传感界面，包括宏观尺度的凝结调控（如图案化润湿性和超疏水图案），用于及时去除凝结水或防止凝结，微/纳米尺度（如分级表面和孔结构）调节气体传输路径，以促进分子扩散，分子尺度抗湿（如直接合成和后改性），用于构筑超疏水筛分层以有效去除水分子。
本文通讯作者为ng28南宫陈玉鹏副研究员和中国科学技术大学朱忠鹏研究员，该研究项目受到国家自然科学基金（52003012和22002005）和北京市自然科学基金（2232071）的资助。
论文链接：http://doi.org/10.1039/D4MH00538D
