哈工程顶刊《Matter》：可视化的气体浓度检测！
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- 2025-05-05 12:04:03
研究人员利用东北林业大学和哈尔滨工程大学的合作，展示了一种新颖的彩色薄膜技术，该技术在视觉气体检测方面具有显著优势。相关研究成果已发表在《Matter》期刊上，题目为“Transparent and flexible structurally colored biological nanofiber films for visual gas detection”。该技术使用多孔疏水膜过滤和自然干燥的亲水纳米纤颤纤维素制备出柔性和自站立结构彩色薄膜。
这种多功能彩色薄膜在传感、涂料、防伪等领域受到广泛关注，但合成具备精确控制微结构、集成各种光学和机械性能的廉价薄膜仍面临挑战。传统方法虽已报道，但生成的薄膜难以同时实现彩虹色、透明、灵活及对环境刺激的动态响应。
通过合理控制薄膜的微/纳米结构，可实现薄膜干涉、衍射光栅、散射和光子晶体产生的结构颜色。可见光范围内的颜色调控依赖于组成成分、制造工艺及周围环境，从而生成刺激敏感的彩虹色薄膜。然而，薄膜的前驱体在制备过程中往往沉积在不透明基底上，或在形成过程中变得脆弱，导致某些特性如透明度和柔韧性难以实现。
生物聚合物因其可持续性、独特结构、力学性能、表面活性物理和化学行为以及自组装能力，被广泛用作新型材料和器件的组件。生物聚合物纳米纤维，特别是通过强酸水解纤维素制备的纤维素纳米晶体（CNCs），在制备彩虹膜方面已被广泛应用。基于CNC的薄膜透明，可通过调节外界刺激（如溶剂、pH值、温度和压力）进行颜色定制，但CNC的脆性限制了实际应用。
为了克服这一挑战，研究人员采用可持续的生物质来源制备亲水性纳米纤化纤维素（NFC），通过真空过滤到疏水多孔膜上并自然干燥，形成超薄且纳米纤维密集堆积的薄膜。这种技术结合了对环境刺激的可见光学响应性和优良的机械性能，通过单一的生物构建块快速、简单地生产，实现了透明、灵活且响应气体刺激的结构彩色薄膜。
实验结果表明，该薄膜在各种潮湿气体或液体刺激下，显示出明显可逆的颜色变化的快速响应。进一步的应用验证了该薄膜作为便携式气体检测器的潜力，特别是在测定醉酒参与者呼吸中的乙醇浓度时，通过目视测量环境气体浓度。该研究为视觉气体检测提供了一种新颖且高效的技术，有望在实际应用中发挥重要作用。
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