通过合成工程多孔材料以实现智能传感系统

为什么微小孔洞对日常传感器很重要

从空气质量监测器和健身可穿戴设备到智能食品包装，现代生活在不知不觉中依赖着传感器。本文解释了一类富含“孔洞”的特殊材料——多孔材料——如何让这些传感器更灵敏、更快速、更可靠。通过精确调控无数微观孔隙的尺寸、形状和排列，研究人员正在构建更智能的传感系统，能够实时更好地检测气体、体内化学物质、压力等。

充满看不见通道的构件

多孔材料是带有迷宫般微小空隙的固体，这些空隙从小于纳米级的孔到在显微镜下可见的通道各不相同。由于这些内部通道，一小块多孔材料可以拥有巨大的内表面积——有时每克达数百到数千平方米。综述中描述了三大类材料。金属氧化物，如二氧化钛和氧化锌，提供了用于气体和环境传感的稳健且化学稳定的支架。聚合物则柔软可弯，能制成泡沫和海绵，适合用于可穿戴的压力和应变传感器，可弯曲、拉伸或压缩。基于碳的结构，如多孔石墨烯和气凝胶，在超轻且富有弹性的三维网络中提供出色的电导率。

用现代制造工具打造孔隙

在适当位置制造合适的孔隙至关重要。文章综述了几种制造途径，赋予科学家对孔径和结构的精细控制。溶胶-凝胶方法从液态前驱体开始，转变为带有内建孔隙的固体网络。模板辅助法使用可移除的“骨架”——从盐晶体到糖颗粒——在陶瓷、聚合物或碳材料中刻印有序通道。三维打印则增加了另一个层面，允许设计者直接从数字文件绘制器件外形和内部孔隙结构。最后，激光和强光闪灯等高强度光源可以在毫秒内在柔性基片上刻蚀出多孔石墨烯和其他碳框架。这些技术共同在精度、可扩展性和成本之间取得平衡，使多孔传感器更接近量产。

孔隙如何将相互作用转化为信号

多孔结构改变了材料在外界物质（如气体分子或汗液）进入时的电学、电化学和光学响应。例如，在电学压力传感器中，压缩多孔聚合物会使其空气孔塌缩，改变电极间距离和有效绝缘特性；这放大了电容的变化，从而比实心薄膜获得更高的灵敏度。纳米多孔金属电极向液体暴露出更多活性表面，加速电子传递并在化学与生物检测中使信号更清晰。在光学器件中，多孔硅和其他导光框架会在孔隙内困住并散射光线，因此即便是进入的蒸气或生物分子引起的折射率细微变化，也会产生可测量的颜色或亮度变化。

现实应用：从净化空气到可穿戴健康监测

综述强调了这些工程化孔隙如何转化为实用的传感系统。在环境监测方面，多孔金属氧化物和共价有机框架能够迅速捕获并检测低浓度污染物（例如二氧化氮或重金属），这得益于互联通道中的快速扩散和丰富的结合位点。在健康与健身领域，多孔碳和聚合物复合材料可以制成舒适、透气的贴片和腕带，检测汗液或皮肤运动中的离子、代谢物和机械信号，同时经得起数千次弯折和清洗。类似概念也被用于制造高度可拉伸的应变传感器，它们不仅对拉伸有响应，还能对扭转和复杂的人体动作敏感，使电子“皮肤”和软体机器人能够感知周围环境。

该领域下一步的发展方向

尽管多孔材料已经提供了令人印象深刻的传感性能，文章指出仍存在一些挑战：如何在工业规模上保持孔结构的一致性、在孔隙率增加时防止机械强度下降，以及在不产生电学串扰的前提下整合多种传感功能。基于光的制造和先进的三维打印在更快、更干净、更可重复地控制孔结构方面显示出潜力，有望应对这些问题。展望未来，作者设想多孔传感器将与人工智能和物联网平台紧密结合，为更智能的城市、更清洁的环境和更个性化的医疗提供高质量的数据流。简而言之，通过学会塑造充满精心设计空隙的物质，工程师正制造出具有前所未有精度的“看得见”“能感知”的传感器。

引用: Choi, S.J., Park, S.Y., Kim, K.H. et al. Porous material engineering through synthesis for smart sensor systems. Microsyst Nanoeng 12, 123 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-025-01156-2

关键词: 多孔材料, 智能传感器, 可穿戴电子设备, 环境监测, 石墨烯