研究背景
用于各种应用的纺织材料通常需要纤维的组装和交织。将一维(1D)结构转换为二维(2D)或三维(3D)结构时，单个纤维的内部结构和组件之间的相互作用决定了其物理和化学特性。一般可以通过增材制造和表面功能化3D打印技术，赋予这些材料响应性功能，从而实现四维(4D)纺织品的制造。这种功能化的实现可以有效地利用纤维网络的独特互锁或交织结构：以3D方式交织形成网或多孔结构，再加以微电子传感器和生物传感器通过机械、热或化学缠绕的纤维或细丝进行能量生产、存储和转换。静电纺纳米纤维结构允许调节孔隙率、润湿性、渗透性、紧密或松散的捆绑/固定以及刚柔性等。而且与纤维素纤维相比，具有合成聚合物主链的静电纺纳米纤维为高湿度环境的应用提供了高度多样化的机会。但一个关键的挑战是，能否可控地制造具有缠绕、交织或自由接触结构的纳米长丝和聚合物纤维组合的纺织基材。
工作简介
美国纽约州立大学Chuan-JianZhong团队展示了一种通过赋予静电纺纤维网络导电性和化学功能性来制造纳米丝状纺织品传感器平台的新策略。交错的静电纺聚合物纤维和纳米长丝具有可调节孔隙率和亲水性等优点，并以灵活、低成本和一次性纸状基材形式创建了具有所需传感特性的网络。该团队在静电纺聚合物纤维基底中嵌入纳米细丝，纳米细丝由尺寸可调的金纳米颗粒和结构敏感的树状分子作为交联剂处理，由此产生的粒子间性质在很大程度上取决于纳米细丝的组装，使得界面对分子相互作用具有高度的结构敏感性。
图文导读
方案：纤维平台上化学电阻传感器的响应特性可以通过控制树枝状金纳米颗粒的尺寸和纤维微结构内纤维的尺寸来调节。其中（a）3D纤维织物传感器接口；（b）功能化Au-NP涂层纤维作为敏感长丝和碳涂层纤维作为导电长丝；（c）根据Au-NP和纤维尺寸说明敏感长丝的可调谐性；（d）根据粒子间配体和连接体对敏感长丝进行协调；（e）化学电阻传感器阵列示意图（DD代表树突状结构；NDT代表1,9-壬二醇，DT代表癸硫醇）
图1具有结构敏感树突和金纳米颗粒的纳米细丝在静电纺丝聚合物纤维基质中的组装。图（a)不同直径（2、6、13和30nm）的DD-Au纳米颗粒通过“交换”组装?交联?“降水”路线。DD-AuNPs在PAN纤维基材上的SEM图像(b-e)。根据SEM图像，观察到纤维上的纳米颗粒聚集体或岛状结构存在明显差异。随着颗粒尺寸的增加，形成聚集或岛状的趋势似乎更高，这被认为反映了不同尺寸的纳米颗粒在组装过程中的成核和生长差异。
图2DT-AuNP（黑色）和DD-AuNP（红色）细丝在-(a)和-cm-1(b)范围内的FTIR光谱。通过在FTIR光谱中检测到?CO(cm-1)和C-O-(-cm-1)带，证明了组件中存在树突分子结构，这是酯和醇官能团的特征。
图3不同Au-NP尺寸的敏感长丝的响应曲线和响应灵敏度。（a）带有不同尺寸（2、6、13和30nm）的AuNP的纤维，这些AuNP通过树状子作为纳米细丝交联。（b）对甲醇蒸汽的响应曲线。传感响应的绝对值随纳米颗粒尺寸的增加而增加。随着纳米颗粒尺寸增加到13和30nm，响应曲线从正变为负。（c）对不同链长的气态醇和不同浓度的异构体的反应。其他醇也观察到类似甲醇蒸汽的反应特征（d）响应灵敏度与n-醇（空棒）和异醇（填充棒）中碳数的关系。较小的纳米细丝显示较低的灵敏度和正响应曲线，而较大的纳米细丝显示较高的灵敏度和负响应曲线。
图4不同纤维直径的纤维基质中的Au-NP，对不同醇的响应灵敏度随醇分子中碳数的链长变化的曲线图。结果表明，随着醇中碳的数量增加，灵敏度也随之增加，对于较大的纤维直径，长链醇的灵敏度较高。
图5IME印刷基板上不同纳米细丝的图示和相应的响应曲线。图（a）-（c）显示了通过交联剂(包括较短的DT和较长的树突)的粒子间距离和相互作用的变化。（d）在IME玻璃基板上，带有DT-AuNPs（黑色）和DD-AuNPs（红色）（6nm）的敏感长丝对甲醇蒸汽的响应曲线。注意，DD-AuNPs的响应按1\/10缩放。（e）在IME纤维基质上，带有NDT-AuNPs（蓝色）和DD-AuNPs（红色）（30nm）的敏感丝状物对甲醇蒸汽的响应曲线。响应特性取决于纳米颗粒大小和敏感纤维的分子特性以及纤维的表面曲率。
图6二维和三维PCA图显示了对n-醇及其异构体的阵列响应：（a，b）六个选定的传感器阵列，具有六种不同的纳米细丝刚性[DT-AuNPs（6nm）、刚性DD-AuNPs（6nm）和纤维状DD-AuNPs（2、6、13和30nm）]。（c，d）由四个重要传感器组成的阵列具有四种不同的纳米细丝刚性[DD-AuNPs（6nm）、纤维DD-AuNPs（13nm）、DD-AuNPs（30nm）和NDT-AuNPs（30nm）]。基于阵列对不同链长醇的响应灵敏度的PCA，结果表明：不仅对具有不同链长的醇具有高选择性，而且对不同的异构体也具有高选择性。
结论
美国纽约州立大学Chuan-JianZhong团队通过赋予由结构敏感的树突和尺寸可调的AuNPs组成的纳米丝的纤维网络，展示了一种具有高结构灵敏度的纤维传感器平台。纳米纤维的高结构敏感性表明，纳米颗粒和纤维的尺寸在响应曲线和对醇分子及其异构体的敏感性方面是可调的。这种可调性不仅反映了纳米丝独特的多位点特征，而且还反映了纤维的曲率应变和纤维网络中纳米丝的介电介质特性的微妙组合。这些发现对传感器和生物传感器阵列的设计模式转变具有重要意义。这些传感器和生物传感器阵列具有高结构灵敏度，可用于监测人类绩效和空气质量；通过纳米细丝和纤维尺寸的组合，可以对酒精挥发性有机化合物的传感特性进行调节；还可以提高传感器对人类呼吸和汗液酒精水平的灵敏度和选择性，其中最可靠的是血液酒精含量检测，包括血液取样或尿液监测。
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