第一作者：张祺翔、任子奇

通讯作者：刘逆霜    

通讯单位：华中科技大学

论文DOI:10.1002/adma.202411558

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本文着重归纳总结了刘逆霜和高义华团队在“自供能微型传感器”中又一种纤维状微型湿度传感器的组装和优化策略，并展示了利用纤维直接在织物上缝纫制备的微型化湿度传感器。通过纺织等手段集成得到的传感器阵列显示出极高的空间分辨率，突出了其在柔性可穿戴设备中的潜力。这项工作为下一代高性能湿度传感器的设计提供了新的优化策略和集成手段。

背景介绍

离子型湿度传感器中湿度-电信号的转换主要分为两个部分：水吸附（湿度）和离子迁移（电信号产生）。具体过程如下：首先，湿敏材料受到外界湿度刺激，改变其载流子迁移速率；其次，电势驱动载流子移动，产生电信号。材料的湿度敏感性和离子输运性能将极大地影响器件的传感性能。例如，过度亲水或疏水的材料，以及在运输过程中被阻塞的离子，可能会引起迟滞。目前，湿度传感器主要侧重于改善湿敏材料的亲水部位，增强其湿度传感能力，从而优化器件性能，而忽略了载流子迁移快慢对产生电信号的影响。事实上，目前的湿敏材料通常是具有复杂无序离子传输纳米通道的功能聚合物。这些材料中的载流子迁移受到无序离子通道的影响，严重阻碍了电信号的产生过程。因此，优化离子路径是实现高效湿度传感性能的有效途径。

在自然界中，生物体通过高效的离子运输来适应各种环境，进行生长、繁殖和进化等生命过程。其中，高效离子迁移通道在生命活动中发挥着不可或缺的作用。例如，树木的木纤维在树干方向紧密排列，形成高度平行有序的纤维束（图1a）。这些紧密排列的纳米纤维之间形成了无数微小的离子通道，使得离子在树内沿纤维方向单向运输，从而有效地维持了树的生命活动，如吸收和利用水分和营养物质。特别是，这种定向纳米流体通道允许离子向特定方向移动，有效地避免了无序结构中可能发生的长路径迁移、随机碰撞和能量损失（图1b）。因此，一维（1D）取向结构的离子通道设计有望显著提高湿敏材料的离子传输速率，提高水电转换效率，实现高效的湿度传感。

研究出发点

受树木中定向纤维纳米通道的启发，我们设计了一种高效的可穿戴超小型纤维湿度（MFH）传感器，该传感器具有高离子电导率和湿度敏感特性的近平行离子路径。分子动力学（MD）模拟证明了离子在平行有序纤维中迁移的各向异性，并表明器件的有效湿度响应特性归因于平行有序纤维中有序离子通路对超快离子传输的积极影响。利用纤维的柔性和纤细特性，我们编织了一个尺寸约为1000μm×500μm的MFH传感器，它比目前先进的湿度传感器要小得多，具有良好的小型化前景（图1d）。实现了器件的超快响应（0.36s）和恢复（0.37s），在当前先进的湿度传感器中具有突出的优势（图1c）。将20个MFH传感器组装在20mm×20mm的织物上，实现了高效率、高分辨率的非接触式传感。这些传感器可以以新颖便捷的方式缝在纺织品、口罩等面料上，实现对人体健康的长期自驱动监测。这种通过改进离子路径实现的高效湿度传感性能，以及通过纤维编织实现器件小型化的突出能力，对后续湿度传感器的设计具有深远的意义，可以极大地促进柔性湿度传感器的开发和应用。相关成果目前已发表在Advanced Materials期刊上。

总结与展望

通过改进近平行离子传输路径能有效提高传感器的湿度响应性能，并利用BC/SA纤维的柔性纤细特性设计了一种可编织在织物上的MFH传感器。MFH传感器可以很容易地集成到任何织物中，这极大地方便了湿度传感器的应用和集成。本工作揭示了从湿敏材料离子输运通道角度优化湿度传感器性能的新途径，为柔性湿度器件的研发提供了创新思路。

电池式湿度传感器的可拓展性、先进性和多功能化都是极其出色的，将是未来自供能传感器的一大研究重点。利用电极的电势来为传感器提供稳定驱动力，并利用电解质的环境敏感特性设计传感器是最近兴起的研究热点。电势的稳定性研究、电解质不同类型的环境刺激敏感性、离子受控传输的内在机理等方面都是优化电池式传感器的难点，都值得进一步进行探索和研究。

图1 定向纳米通道的构建。

图2 定向纳米通道中离子的高效传输。

图3湿度敏感和定向离子传输机制。

图4 MFH传感器的结构与性能。

图5湿度传感器微阵列和健康监测应用。