气流传感器在航空、气象预测、环境监控、采矿业、生物医药、电子皮肤、可穿戴设备及集成智能设备等领域有十分重要的应用。然而，传统的气流传感器面临着响应速率慢、灵敏度低、检出限高、检测范围窄和回滞较大等问题，因而严重限制了它们在高端领域的应用。为进一步提升气流传感器的性能，须理性设计气流传感器的结构，并解决其可控制备的问题。
压阻式气流传感器是一类结构简单且较为常用的传感器，它的工作原理是利用压阻材料在外力作用下发生形变时产生的电阻值变化检测外力的大小。从材料选择的角度而言，柔性、密度低且界面面积小的压阻材料更适合用于高灵敏度、快响应的气流传感器的制备。碳纳米管由于其具有纳米级直径、高长径比、高柔性、低密度、优异的力学和电学性能，理应是制备高性能气流传感器的理想材料。然而在先前的相关报道中，碳纳米管经常被用来与其他材料复合，形成混合的体相材料，因而会使传感性能大大降低。另外，基于复合材料的气流传感器由于其结构复杂，其传感机理大多仍不明晰，从而难以为未来高性能气流传感器的设计提供指导作用。
在此背景下，清华大学张如范副教授课题组设计了一种基于悬空碳纳米管网络（SCNTNs）的高性能气流传感器。SCNTNs由浮游催化化学气相沉积的方法一步合成，并在表面修饰了焦油纳米颗粒，以达到碳纳米管的光学可视化、稳定网络结构和增强气流曳力三方面作用（图1）。SCNTNs所具有的超轻的结构和极高的柔性使其具有优于大多数气流传感器的传感性能：0.021 s的超短响应时间（目前报道中最短）、0.0124 s m-1的高灵敏度、0.11 m s-1的低检出限和0.11~5.51 m s-1的宽检测范围（图2）。此外，在声学测试中，SCNTNs显示出了长达2亿次的超长循环寿命，而没有明显结构破坏。为揭示SCNTNs的传感机理，作者设计了一套声学测试系统以获取SCNTNs在声波作用下的电学响应。通过分析电信号的频率和振幅，结合碳纳米管受迫振动的数学模型，作者发现了碳纳米管的电阻变化与网络结点处的管间应力之间具有强相关性。在声波作用下，碳纳米管结点处的管间应力表现出简谐振动的行为，从而会使碳纳米管在结点处周期性地偏离其平衡位置，进而导致结点电阻增加并产生电学响应（图3）。
该成果近期发表于Advanced Materials 期刊，论文的共同第一作者为清华化工系直博生姜沁源和李润。
Ultrasensitive Airflow Sensors Based on Suspended Carbon Nanotube Networks
Qinyuan Jiang#, Run Li#, Fei Wang, Xiaofei Shi, Fengxiang Chen, Ya Huang, Baoshun Wang, Wenshuo Zhang, Xueke Wu, Fei Wei, Rufan Zhang*
Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202107062
张如范，清华大学化工系教研系列副教授、特别研究员、博士生导师、国家高层次人才计划入选者、中国颗粒学会青年理事、中国化学会奖励推荐委员会委员、中国材料研究学会高级会员、中国微米纳米技术学会高级会员、中国化工学会专业会员、北京能源与环境学会京津冀专家委员会委员、SusMat、Exploration、Particuology青年编委。2005-2009年本科就读于中国石油大学（北京）化工学院，2009-2014年博士就读于清华大学化工系，2014-2017年在斯坦福大学材料系从事博士后研究，2018年加入清华大学化工系。主要从事纳米碳材料以及功能纳米材料的可控制备与性能表征及应用等方面的研究，取得多项突破性科研成果。在Science、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Accounts of Chemical Research、Advanced Materials、Journal of American Chemical Society、Nano Letters、ACS Nano、Small Methods等期刊发表论文80余篇。申请发明专利12项；撰写学术专著7部。曾获侯德榜化工科学技术青年奖（2019）、中国化学会青年化学奖（2018）、《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”（2018)、中国新锐科技人物（2018）、清华大学2020年春季学期在线教学优秀教师奖（2020）、2019国际化学元素周期表年《中国青年化学家元素周期表》入选者（2019）、教育部自然科学一等奖（2016）、瑞士乔诺法（Chorafas）青年研究奖（2015）、教育部博士研究生学术新人奖（2012）等奖励。
https://www.x-mol.com/university/faculty/60332
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