《Synthetic Metals》：AgNP-MWCNT Nanocomposites for Flexible Strain Sensors: Comprehensive Insights into Green Synthesis, Advanced Fabrication Technologies, and Emerging Applications
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绿色合成与制造技术在银纳米粒子-多壁碳纳米管应变传感器中的研究进展，重点解决碳纳米管聚集问题并提升传感器性能和可扩展性。
Aamir Khan|Peerawat Prathumrat|Chutiwat Likitaporn|Tawan Wongsalam|Nattapon Tanalue|Nichakan Nichakornpong|Manunya Okhawilai
泰国曼谷朱拉隆功大学研究生院纳米科学与技术跨学科项目，邮编10330
摘要
应变传感器在平衡灵敏度、可伸展性和耐用性方面一直面临挑战，这些因素限制了它们在身体运动追踪、语音识别和健康监测等应用中的性能。为了解决这些问题，最近的研究转向了基于纳米材料的复合材料。其中，银纳米粒子-多壁碳纳米管（AgNP-MWCNT）体系因其优异的导电性、机械柔韧性和变形敏感性而脱颖而出。本文重点介绍了AgNP-MWCNT复合材料的绿色合成与制备方法，强调了减少有毒溶剂和废物的必要性。特别关注了碳纳米管（CNT）聚集问题，并探讨了利用物理、化学和混合分散技术来提高材料均匀性和传感性能的方法。通过整合可持续合成技术与先进加工工艺，AgNP-MWCNT复合材料在可穿戴电子设备、人机界面和结构健康监测领域具有巨大潜力。本文提供的见解旨在为未来开发高性能且环保的商用传感器技术指明方向。
引言
近期在微型化和柔性可穿戴电子设备方面的进展显著提升了人类运动检测、生理监测和人机交互能力[1]、[2]。这些系统的核心是应变传感器，它们能够实时检测机械变形、运动和微妙生物信号。其优势包括低成本生产、易于信号采集以及可靠的稳定性[3]。然而，同时实现高灵敏度、宽检测范围和强线性关系非常困难，尤其是在长期监测和微弱信号检测方面[4]、[5]、[6]。在传感材料中，碳纳米管（CNT）以其机械强度、柔韧性和0.17至2.0 × 107 S m?1的导电性而备受关注[7]。单壁碳纳米管（SWCNT）表现出可预测的压阻行为和线性电阻-应变响应[8]、[9]，而多壁碳纳米管（MWCNT）则具有更高的鲁棒性、抗氧化性和重复应力下的耐用性[10]。SWCNT具有更高的电学均匀性，但生产成本较高；而MWCNT则具有可扩展性、经济性，并且能与聚合物基体牢固结合，即使在微裂纹形成情况下也能保持功能[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。
为克服纯CNT的局限性，最近的研究集中在纳米粒子修饰的CNT上。银纳米粒子（AgNPs）的导电性为6.3 × 107 S m?1，同时具备优异的热学和机械性能[16]。将AgNPs引入CNT网络可提高传感器的灵敏度、稳定性和响应时间[17]、[18]、[19]。结合CNT的柔韧性和AgNP的导电性，为可伸展的高性能应变传感器奠定了坚实基础[20]。然而，由于范德华相互作用导致的CNT聚集问题仍然存在，这会降低电学和机械性能[21]。
集成方法对最终设备性能有显著影响。传统的化学气相沉积（CVD）、电化学沉积和激光烧蚀等方法虽然有效，但通常资源消耗大且对环境造成负担[22]、[23]、[24]。相比之下，绿色合成方法提供了一种可持续、低成本且高产率的AgNP-CNT复合材料制备途径，其性能可调。富含黄酮类、多酚类和萜类化合物的植物提取物可以减少并稳定Ag+离子，防止纳米粒子聚集并控制其形态[25]、[26]、[27]。这些水基、可生物降解的方法减少了有毒副产物，便于废水处理或堆肥。生命周期评估（LCA）表明，与传统工艺相比，绿色合成方法可降低约60%的能源消耗和约70%的有害废物产生，同时支持使用生物质原料进行低成本规模化生产[28]、[29]。图1展示了AgNP-MWCNT纳米复合材料的开发路径，从绿色合成到先进制备技术的进展过程。这些方法改善了分散性，增强了界面兼容性，并实现了可扩展的加工，从而扩展了应用范围。
本文批判性地审视了绿色合成策略、制备技术以及加工过程与应变传感机制之间的关系。通过将可持续生产与先进设备性能相结合，本文旨在为开发适用于可穿戴电子设备、软体机器人和智能界面的环保高性能应变传感器提供方向。
绿色合成
纳米技术越来越多地与绿色化学相结合，强调可持续纳米材料的合成[30]。传统的热解、溶胶-凝胶工艺和CVD方法通常依赖有害溶剂、高能耗和有毒还原剂，引发了关于废物产生、处理成本和长期可持续性的担忧。为了解决这些问题，研究人员转向了利用天然化合物的环保绿色合成方法。
AgNP-MWCNT应变传感器的制备技术
应变传感器技术的最新进展激发了人们对基于纳米材料的可扩展和低成本制备技术的兴趣。AgNPs和MWCNT的混合复合材料结合了高导电性、机械韧性和机电敏感性，使其在可穿戴电子设备和软体机器人领域具有吸引力。印刷和涂层技术已成为将这些复合材料沉积到柔性基底上的实用方法[149]。应用
柔性和可伸展的应变传感器正在推动软体机器人、可穿戴电子设备和人机界面的发展。通过结合高导电性、强度和表面积，AgNPs和CNTs能够可靠地响应弯曲和拉伸[255]。AgNPs提供了优异的电学性能和生物相容性，而CNTs则赋予了机械韧性和渗透路径，从而产生高灵敏度的电学响应和低滞后现象。结论
绿色合成技术实现了AgNP-MWCNT应变传感器的可扩展和环保生产，为传统制造方法提供了更可持续的替代方案。这些纳米复合材料结合了优异的灵敏度、可伸展性和快速响应能力，特别适用于健康监测和人体运动追踪等应用。本文总结了基于AgNP-MWCNT的传感器制备技术的最新进展。挑战与未来展望
尽管在实验室中表现出良好性能，但AgNP-MWCNT应变传感器在广泛应用于可穿戴设备、结构和医疗系统之前仍需克服若干障碍。解决这些挑战需要技术创新、环境保障、成本效益高的制造方式以及更强的跨学科合作。作者贡献声明
Chutiwat Likitaporn：可视化、资源准备。Peerawat Prathumrat：撰写——审稿与编辑、可视化、资源准备、数据分析。Aamir Khan：撰写——初稿撰写、资源准备、数据分析、概念构思。Manunya Okhawilai：项目监督、资金筹措、数据分析、概念构思。Nichakan Nichakornpong：可视化、资源准备。Nattapon Tanalue：可视化、资源准备。Tawan Wongsalam：可视化、资源准备。利益冲突
作者声明没有利益冲突。
致谢
本研究项目得到了朱拉隆功大学第二世纪基金（C2F）、泰国国家研究委员会（NSRF）通过人力资源与机构发展项目管理部门（B50G670108）以及泰国国家研究委员会（NRCT）和朱拉隆功大学（N42A660910）的支持。此外，泰国科学研究与创新基金（IND_FF_68_220_6200_009）也为该项目提供了支持。利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突。
