碳纳米管让超声波传感器更灵敏！
碳纳米管让超声波传感器更灵敏！
近年来，随着纳米技术的快速发展，碳纳米管因其独特的物理和化学性能，在传感器领域展现出巨大的应用潜力。特别是在超声波传感器领域，碳纳米管的应用正在推动传感器向更灵敏、更精准的方向发展。
碳纳米管：传感器领域的革新者
碳纳米管是一种由碳原子组成的纳米级管状材料，具有优异的力学、电学和热学性能。其直径通常在纳米尺度，长度可达微米甚至毫米级，展现出极高的长径比。碳纳米管的结构类似于石墨烯片层卷成的管状，这赋予了它卓越的机械强度和弹性，同时具备良好的导电性和热传导性。
在传感器领域，碳纳米管作为敏感材料具有以下优势：
- 高灵敏度：碳纳米管对环境变化极其敏感，能够检测微小的物理或化学变化。
- 良好的柔韧性：适用于可穿戴设备和柔性电子器件。
- 大的比表面积：有利于提高传感器的响应速度和选择性。
- 耐高温和化学稳定性：适用于恶劣环境下的监测应用。
碳纳米管在超声波传感器中的创新应用
光致超声换能器
传统的超声换能器依赖压电材料实现电能与声能的转换，而新型的光致超声换能器则采用光驱动方式，通过脉冲激光照射光致超声材料产生超声信号。这种设计的优势在于单元尺寸更小、无串扰、无需复杂电连接，非常适合微型化和阵列化应用。
华中科技大学朱本鹏教授团队在这一领域取得了突破性进展。他们采用金纳米颗粒修饰的自编织碳纳米管布与PDMS（聚二甲基硅氧烷）复合，开发出一种freestanding结构的光致超声换能器。这种设计不仅消除了衬底对声压的抑制作用，还通过金纳米颗粒的表面等离子体局域效应（LSPR）显著增强了光吸收能力。
实验结果显示，该换能器在无需聚焦的情况下就能产生33.6 MPa的正声压和10 MPa的负声压，光声转化效率高达2.74×10-2，是此前报道结果的6.2倍。这一突破为超声换能器的设计和生物医学应用提供了新的思路。
可拉伸应变传感器
在柔性可穿戴传感器领域，碳纳米管同样展现出独特的优势。通过超声波组装法，可以将碳纳米管均匀分散并锚定在柔性基底（如Ecoflex硅橡胶）表面，制备出高性能的可拉伸应变传感器。
研究表明，这种通过超声波组装法制备的碳纳米管/硅橡胶复合薄膜，具有出色的拉伸性能和灵敏度。在0-600%的宽响应范围内，传感器展现出优异的线性度（R2=0.993），灵敏度达到3.3，并且具有超快的响应/恢复时间（56 ms/81 ms）。经过2000次拉伸-恢复循环测试，传感器仍能保持良好的稳定性和重复性。
此外，通过激光图案化处理，还可以在复合薄膜上制备叉指电极，并进一步涂覆氧化石墨烯水溶液，开发出兼具湿度传感功能的多功能传感器。这种传感器在10-95%的相对湿度范围内，灵敏度高达3.04 pF/%RH，响应/恢复时间分别为230 s和180 s，展现出良好的应用前景。
未来展望：从实验室到产业化
碳纳米管在超声波传感器领域的应用前景广阔。其高灵敏度、宽响应范围和良好的柔韧性，使其在医疗健康监测、人机交互、环境监测等多个领域具有巨大的应用潜力。例如，可穿戴的柔性传感器可以用于监测人体运动、呼吸状态，甚至语音识别；而高性能的光致超声换能器则有望在生物医学成像和微粒操控等领域发挥重要作用。
然而，要实现大规模商业化应用，仍需解决一些关键问题：
- 成本控制：目前碳纳米管的制备成本相对较高，需要开发更经济的制备方法。
- 可靠性：长期使用中的稳定性和可靠性需要进一步验证。
- 标准化：建立统一的制造标准和检测规范，以确保产品质量。
尽管面临挑战，但碳纳米管在传感器领域的应用前景依然十分广阔。随着技术的不断进步和成本的逐步降低，我们有理由相信，这种新型材料将为超声波传感器带来革命性的变革，推动相关技术在更多领域的普及和应用。