激光网3月29日消息，吸附水分的结晶笼在传感器领域得到了意想不到的应用。这些超分子结构充当“非接触式”传感器，只需检测皮肤周围的自然湿度即可。该传感器“对湿度变化表现出非凡的响应能力”，在沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学工作的主要作者Niveen Khashab解释说。“这是非接触式技术的一条更有前途的途径，”她补充道。
非接触式技术可以改变我们与计算机和其他机器的交互方式。自 Covid 大流行开始以来，人们对非接触式传感器的兴趣激增——市场预测预测到 2026 年销售额将增加两倍，估计达到 376 亿美元。传统上，非接触式传感器使用“物理”刺激，如红外辐射、超声波或电容。在这种情况下，化学是关键。“湿度传感器可以检测到手指的存在，这非常有创意，”英国剑桥大学超分子笼子专家乔纳森·尼奇克说。“我以前从未听说过这个应用程序。”
Khashab和合作者创造的化学笼子具有一些渴望水的功能基团。特别是，质子化胺覆盖了腔体的内部，而外部则装饰有羧基团——两者都是水分敏感部分。“人体皮肤会自然释放水分，[我们的]传感器会捕捉到水分的变化，”Khashab解释道。她补充说，检测湿度不是纯粹的接近或手势，而是“允许一种更自然、更直观的非接触式互动形式”。“我们通过近百次试验评估了非接触式屏幕的性能，并始终如一地实现了100%的正确检测率。”
“这篇论文是化学发现的伟大工程演示，”日本京都大学超分子化学专家Shushei Furukawa说。在低湿度下，笼子表面含有少量水分子，受到与水分敏感基团形成的氢键的约束。这限制了它们的移动性，这与高阻力有关。湿度的增加使更多的水分子积聚在笼子中，这反过来又改变了氢键网络。他解释说，“多孔有机笼中的水吸附现象转化为质子传导，从而转化为电阻率的变化”。
对于古川来说，这一发现为非接触式技术为其他材料开辟了可能性。“任何具有高吸附和解吸动力学的吸水多孔材料都可以工作，”他说。这包括金属有机框架和共价有机框架，它们尚未被探索用于此类应用。问题可能出在可加工性上，Furukawa解释道。“由于“这种晶体”笼子的性质，它很容易被加工成电子设备，“它”显示出高度强大的传感性能，”他说。
西班牙巴塞罗那纳米科学与纳米技术研究所从事超分子结构研究的博士后研究员Arnau CarnéSánchez也认为，这种笼子的可加工性比其他材料具有明显的优势。“用于制造设备的传统多孔材料的主要缺点之一是可加工性差，”他解释道。“这项研究中的结晶笼可溶于水，这使得使用最先进的”滴铸“技术。这是一种形成薄膜的简单策略，其工作原理是将固体溶液滴入表面，然后蒸发溶剂。最终，笼子被“结构化到传感器表面，便于制造有用的设备”，Carné Sánchez补充道。他说：“当研究人员将电响应分析为设备与手指之间距离的函数时，他们发现它非常准确且可重复。此外，反应的快速动力学创造了“超快响应”，提高了传感器的恢复能力。根据作者的说法，恢复时间徘徊在一到三秒之间，传感器表现出“非凡的稳定性”，在800多个周期中显示出成功的测量。
当传感器检测湿度时，当环境条件超过一定限制时，设备就会出现问题。Khashab 说，该传感器的平均环境湿度为 60%，对指尖的响应良好。但是，如果环境湿度高于靠近皮肤的湿度，则传感器无法可靠工作，这将限制其使用。“电阻的变化较低，“因此”灵敏度也较低，”古川解释道。但是，这是第一个概念验证。在未来，超分子结构的修改可能会超越缺点 - 也许可以创建具有不同化学基团的晶体笼，这些晶体在高度潮湿的条件下工作得更好。此外，MOF和COF等材料也可以提供其他选择。“具有更多疏水孔的不同可加工多孔材料“仍然可以”在更高的湿度下吸附水分，”Furukawa补充道。
Khashab的团队创造了一个简单的非接触式屏幕，以及一个非接触式的“密码管理器”设备，类似于智能手机上的图案屏幕锁。后者包含一系列 25 个湿度传感器，所有传感器都对手指的接近做出响应——这不仅可以提高安全性，还可以提高安全性，因为它消除了用指纹标记表面的风险。超分子笼子的设计“表明传感器易于扩展”，Khashab说。
“它们是相对便宜的材料和制造工艺，”Nitschke解释道。“在我看来，它看起来是可扩展的!”
