有毒气体（如氮氧化物）吸入人体后可与血红蛋白结合，损害中枢神经系统，即使低浓度暴露也可能危及生命。当前气体传感器多采用陶瓷、硅或柔性聚合物基材，但陶瓷/硅脆性大难以构建复杂三维结构，而聚合物长期可靠性差。现有研究过度聚焦敏感材料，却忽视了传感器结构对气体扩散、材料负载及响应稳定性的关键影响，制约了便携式实时气体监测技术的发展。

苏州大学文震教授、黄海波副教授、Guan Yu Chen和西安电子科技大学杭州研究院周赟磊副教授合作在《Advanced Materials》发表研究成果，受昆虫多孔感器与受体协同作用启发，开发出二硫化钨（WS₂）功能化纳米工程木材（WS₂-NEW）气体传感器。该设计通过脱木质素形成垂直排列微通道，原位负载WS₂纳米片构建多尺度传感网络，结合创新的倾斜溅射3D叉指电极技术，实现室温下50 ppb级NO₂高灵敏度检测。木材的可加工性使传感器可通过简单切割规模化生产，团队据此开发出实时监测NO₂的无线传感手表，为可穿戴设备提供新方案。

仿生设计理念与制造流程

昆虫触角的多孔感器可高效捕获气味分子（图1a），团队据此设计木材衍生3D气体传感器（图1b）：脱木质素木材形成垂直蜂窝状微通道（5–40 μm），模拟昆虫感器的气体传输路径；WS₂纳米片充当“受体”实现分子识别；终端电极采用倾斜溅射工艺制造（图1c-e），避免金粒子堵塞通道。该结构支持将大块材料切割为微型传感器单元（图1f），并集成于无线手表实现浓度可视化及远程监控（图1g）。

图 1.仿生 WS2-NEW 的系统配置。

木材基材特性优化

天然轻木（图2a-c）经脱木质素处理后变为白色（图2e），孔隙率从80.53%提升至90.72%，比表面积增加12.28 m²/g（图2d），增强气体扩散与纳米材料负载能力。虽力学性能略有下降（弹性模量151→145 MPa，图2h），但热稳定性满足室温传感需求（分解温度340℃以上，图2i-k）。木材轴向热导率仅0.086 W/mK（图2n），显著低于硅/金属氧化物等传统基材（图2o），有效保护WS₂纳米结构。

图 2.木材的基本特性。

WS₂纳米片均匀负载

利用木材的毛细力与静水压（图3a），通过“浸润-干燥”循环将WS₂纳米片嵌入微通道壁。液滴接触角10秒内从110.3°降至14.4°（图3b），证实超强浸润性。XRD显示WS₂特征峰（14.2°、33.3°等）与纤维素峰共存（图3c），SEM/EDS证实纳米片在通道内均匀分布且无堵塞（图3d-m），构建分级吸附网络。

图 3.WS2/脱木素复合材料的表征。

倾斜溅射电极技术

传统垂直溅射导致金粒子渗入通道中部（图4d-e），引发短路失效（图4f-g）。团队创新采用60°倾斜溅射（图4c），使金沉积仅限端口区域（图4h-i），电阻稳定在144±76 Ω（图4j）。结合端面抛光工艺，传感器电噪声从11.80%降至0.21%（图4n），显著提升信号稳定性。

图 4.端电极的制备和表征。

传感性能与机理

优化负载比例（3.75%）和基材厚度（1.2 mm）后，WS₂-NEW对50 ppb–20 ppm NO₂呈现线性响应（图5b-d），检测限达50 ppb。对10 ppm NO₂的响应值（349%）远超H₂S、甲醛等干扰气体（图5f），响应/恢复时间145/403秒（图5e），一月后性能保持88%（图5h）。气流模拟揭示微通道内存在速度梯度：近壁区流速<0.5 mm/s利于气体充分反应，中心区>3 mm/s加速气体更新（图5l-n），协同提升灵敏度。其机理为NO₂吸附后与WS₂表面的O₂⁻反应捕获电子，降低电阻（图5o）。

图 5.WS2-NEW 的气体传感性能和传感机制。

可穿戴应用落地

基于WS₂-NEW的物联网手表（图6a-c）集成温湿度/浓度四环显示界面（图6b）。内部电路（图6e）通过WiFi上传数据至云端，支持手机/电脑远程监控（图6d,f）。模拟工业泄漏测试中，手表对750 ppb NO₂实现快速响应与恢复（图6h-i），为应急救援人员提供实时预警。

图 6.基于 WS2-NEW 的无线气体检测手表，适用于物联网应用。

未来展望

该研究首创“单块式制造”工艺，将仿生微通道设计、纳米材料负载与电极集成融为一体。木材基材的天然孔隙结构协同WS₂的化学吸附能力，为室温高灵敏气体检测开辟新路径。气流模拟理论为传感器设计优化提供依据。规模化切割技术（96.5%良率）及可穿戴应用验证，标志着生物质气体传感器向工业化迈出关键一步，在个人健康管理、工业安全及环保监测领域具广阔前景。

来源：高分子科学前沿

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