南京工业大学宗鹏安课题组Advanced Functional Materials:用于危险环境与生命体征监测的界面有序化PANI/MWCNTs多模态传感器
研究背景
在极端救援场景中，如自然灾害或事故现场，实时获取环境危险信息与人员生命体征对保障救援安全和提高响应效率至关重要。传统的救援技术通常依赖外部电源，限制了其在复杂和动态环境中的应用。近年来，柔性自供电传感器因其良好的可穿戴性、环境适应性及能源自供能力，成为应对极端环境的有力工具。然而，现有技术在极端条件下依然面临诸多挑战，尤其是在高温、化学污染和电磁干扰等因素的影响下，传感器难以实现多信号的高灵敏、稳定同步感知。此外，传感器的材料结构复杂，功能集成方式存在局限性，导致其在恶劣环境中的稳定性不足。这些问题制约了柔性自供电传感器在极端救援任务中的广泛应用。因此，亟需突破这些技术瓶颈，提高传感器在复杂环境下的性能与可靠性，以更好地服务于高效、精准的救援行动。
研究内容
南京工业大学宗鹏安课题组通过界面分子有序化设计，在聚苯胺/碳纳米管复合体系中构建了“晶体–准晶体–非晶态”梯度有序结构，显著增强了载流子传输与能量转换能力，实现了电学与热电性能的协同提升，其中载流子迁移率提高约133%，功率因子提升达6倍。基于该材料体系的协同热电响应特性，结合聚苯胺的可逆掺杂/去掺杂行为与多壁碳纳米管多孔、大比表面的结构优势，所构建的柔性传感器实现了化学危害与生理信号的同步一体化感知：不仅能够对氨气等危险化学品进行秒级响应与预警，还可同时监测体温、呼吸、脉搏、肢体运动及语音振动等多维生命体征与行为信号。该材料可作为柔性传感功能层集成于救援装备中，构建轻量化、可穿戴的智能监测平台，在火灾、化学泄漏及废墟救援等复杂高危环境下，为救援人员提供环境安全与生命体征的实时监控与风险预警支持。
该项成果以题为“Interfacial Molecular Ordering of PANI/MWCNT for Hazard and Vital Biophysical Signal Monitoring”在材料领域知名期刊《Advanced Functional Materials》上发表。本文第一作者为南京工业大学材料科学与工程学院博士生陈梦然，南工大材料科学与工程学院宗鹏安教授、周洪庆教授为论文共同通讯作者。论文链接：http://doi.org/10.1002/adfm.202522905。
研究亮点
1、通过界面分子有序化设计，在聚苯胺/碳纳米管复合体系中构建“晶体–准晶体–非晶态”梯度有序结构的热电薄膜；
2、该薄膜表现出显著增强的热电性能，其中载流子迁移率提高约133%，功率因子提升达6倍；
3、实现了化学危害与生理信号的一体化同步感知：不仅能在秒级时间内对氨气等危险化学品进行快速响应与预警，还可同步监测体温、呼吸、脉搏、肢体运动及语音振动等多维度生命体征与行为信号。
图文导图
图1. 聚苯胺（PANI）在多壁碳纳米管（MWCNT）束界面分子有序化生长示意图
图2. PANI/MWCNTs复合薄膜结构表征。(a) 高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）下MWCNT界面图像。(b) HRTEM下PANI/MWCNTs界面处的结构（“晶体”、“准晶体”和“非晶”区域），晶畴区域以蓝色虚线圆圈标注。(c) MWCNTs与PANI/MWCNTs的一维小角X射线散射（SAXS）谱图对比。MWCNTs (d) 和(e) PANI/MWCNTs的二维掠入射广角X射线散射。(f) PANI、MWCNTs及PANI/MWCNTs的傅里叶变换红外光谱。(g) PANI/MWCNTs薄膜与MWCNTs薄膜的C 1s XPS光谱。(h) PANI/MWCNTs薄膜的N 1s XPS光谱。
图3. PANI/MWCNTs薄膜的热电性能。(a) 不同沉积周期下的PANI/MWCNTs薄膜的载流子浓度n和载流子迁移率µ。(b) 不同沉积周期下的PANI/MWCNTs薄膜的电导率σ和塞贝克系数S。(c) 不同沉积周期下的PANI/MWCNTs薄膜的功率因数PF。MWCNT (d)、PANI (e) 和 PANI/MWCNTs (f)的电子能带结构。(g)由四片PANI/MWCNTs薄膜集成的热电发电机电路示意图。热电发电机的输出电压(h)和热电发电机的输出功率(i)。图4. PANI/MWCNTs传感器的化学传感机理与气体响应特性。(a-c) 基于化学响应的PANI/MWCNTs传感机理示意图：传感器彼岸准环境中耗尽区情况(a)、传感器分别置于酸性(b) 、碱性(c) 环境中耗尽区变化。(d) 传感器在5‒1000 ppm氨气浓度范围内的循环响应曲线。(e) 氨气浓度梯度5-1000 ppm范围内的传感器线性响应曲线。(f) 5 ppm氨气浓度下传感器的响应时间。(g) 传感器在不同温度下的气体响应特性。(h) MWCNTs在5-1000 ppm氨气浓度范围内的响应曲线。(i) 传感器对不同气体的响应特性。SCE：饱和氯化汞电极，OCP：开路电位。图5. PANI/MWCNTs传感器的pH检测性能。(a) pH=4-12条件下传感器的OCP。(b) pH=4-12条件下的线性响应灵敏度，与理论能斯特值(59.16 mV pH⁻¹)高度吻合。(c) MWCNTs在不同pH缓冲溶液中的OCP及其对应的OCP与pH线性关系图(d)。(e) 稳定性表征。(f) 在不同pH值（4、7和10）下测得电位与温度的关系。(g) 对不同浓度（10μM至15 mM）常见离子溶液的干扰响应测试。(h)在实际样品测试中的OCP。(i) 与商用标准pH计在实际样品测量结果的对比。图6. PANI/MWCNTs传感器的温度传感性能。(a) 基于塞贝克效应的薄膜温度传感器原理图。(b) 单指触碰时传感器的电压响应。(c) 单次按压响应时间为1.63秒。(d) 温度差为1K时的输出信号。(e) 当薄膜表面分别施加冷热负载时产生电压信号。(f) 温度差范围为10至50 K时的输出响应信号。(g) 将该传感器集成到智能手套上的示意图。(h) 高温环境下智能手套靠近和远离火焰的单次恢复与响应时间。(i) 传感器在短暂或长期接触火焰环境时的响应性能。其中红色阴影区域为传感器暴露于火焰的阶段。图7. PANI/MWCNTs传感器的呼吸与关节运动检测性能。(a) 单次呼吸周期中电压变化及对应的红外图像捕捉呼气与吸气过程中的温度变化；(b) 静息状态下呼吸产生的输出信号；(c) 站立、蹲起及坐姿状态下呼吸产生的输出信号。(d) 传感器在不同压力下电阻变化曲线，其中S1代表灵敏度。(e) PANI/MWCNTs薄膜经1000次连续弯折的实时输出信号。传感器集成于肘关节(f)与踝关节(g)处且在不同弯曲角度下呈现的不同的响应特性。(h) 肘关节单次屈曲的传感信号响应与恢复时间。(i) 手指按压PANI/MWCNTs传感器用于发送求救信号(S-O-S)。T：单次呼吸周期的循环时间；RR：实时呼吸频率。图8. 面向复杂生命体征监测的PANI/MWCNTs多功能传感器。(a) 集成于喉部的传感器可检测喉部运动。对面部微表情: 嘟嘴（b）、微笑(c)的检测。(d) 集成于手腕的传感器可检测桡动脉脉搏信号。(e) 单次脉搏信号放大视图。(f) 集成于颈部的传感器可检测颈动脉脉搏信号。插图为单次颈动脉搏动的信号分辨情况。传感器在不同温度、压力下双模传感器区分情况：(g) 不同压力下的温度感知。(h) 不同温度下的压力感知。总结
本研究通过界面分子有序化设计，在聚苯胺/碳纳米管复合体系中成功构建了“晶体-准晶体-非晶态”梯度有序结构。基于此结构所研制的柔性传感器，可实现对危险化学品（如氨气）秒级响应与对体温、呼吸、脉搏等多维生理信号同步监测的一体化感知能力。该器件可作为核心传感单元，集成于轻量化救援装备，构建面向火灾、化学泄漏等高危复杂场景的可穿戴智能监测平台，为救援人员提供环境安全与生命体征的实时监控与融合预警。
注：本论文技术已申请中国发明专利，申请号：202512037128.6
