《Advanced Sensor Research》：Metal Nanowires for Flexible and Wearable Sensors: Synthesis, Processing, and Device Applications
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本综述系统评述了银/铜金属纳米线（MNWs）在柔性和可穿戴传感器领域的最新进展。文章从结构-性能关系入手，深入探讨了MNWs的合成策略（如多元醇法、微波辅助合成）、加工集成技术（包括溶液涂布、喷墨打印）及其在压阻/电容传感器中的创新设计（如水凝胶复合、微结构集成）。通过对比传统材料（如ITO、石墨烯），突出MNWs在透明度（T≈90%）、导电性（Rs<10 Ω sq?1）和机械柔韧性（耐受20–30%拉伸应变）方面的综合优势，为下一代高性能柔性电子器件提供了材料设计与器件集成的关键见解。
1 引言
近年来，可穿戴智能设备的广泛普及正深刻改变人类生活。金属纳米线（MNWs），尤其是银纳米线（Ag NWs）和铜纳米线（Cu NWs），因其一维形态和高长径比，成为透明可拉伸电极和传感平台的重要构建单元。与传统脆性材料（如氧化铟锡ITO）相比，MNWs网络具备优异的光电性能（如90%透光率下Sheet Resistance<10 Ω sq?1）和机械耐久性（耐受反复弯曲、拉伸），同时可通过溶液法加工（如旋涂、喷墨打印），兼容大面积柔性电子制造。
2 金属纳米线的结构-性能关系
MNWs的电学、光学和机械性能强烈依赖于其结构参数（如直径、长度、长径比）。根据渗流理论，长纳米线（如15 μm）可显著降低形成导电网络的临界密度，从而在低覆盖度下实现高透光率和低方阻。例如，Ag NWs网络的电导率随长径比增加而提升，但过细的纳米线（<60 nm）会因结电阻增加而影响稳定性。此外，MNWs的机械柔性源于其网络在应变下的滑移和旋转而非晶格变形，使其可承受20–30%的拉伸应变。通过优化网络密度和界面粘附（如嵌入弹性体PDMS），可进一步提升循环耐久性（>10,000次弯曲）。
3 金属纳米线的合成策略
3.1 银纳米线的合成
多元醇法是目前合成Ag NWs最成熟的方法，以乙二醇（EG）为还原剂和溶剂，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为形貌导向剂，通过调控卤离子（Cl?/Br?）浓度和反应动力学，可制备直径50–100 nm、长度10–30 μm的均匀纳米线。新兴的绿色合成策略（如生物还原剂、低温微波法）则致力于降低环境负担。
3.2 铜纳米线的合成
Cu NWs的合成挑战在于其易氧化性。采用油胺介导的还原法或Cu(I)前驱体（如CuCl）可改善形貌均一性，但需通过核壳结构（如Cu-Ag）、石墨烯封装或合金化（如Cu-Ni）提升抗氧化能力。
4 纳米线网络的加工与集成
溶液加工（如刮涂、喷涂）和印刷技术（如喷墨打印）是制备MNWs薄膜的主流方法。后处理工艺（如热退火、等离子体焊接）可降低结电阻，而微结构对齐（如剪切诱导、磁场辅助）能增强各向异性导电性能。通过将MNWs与功能性基质（如水凝胶、弹性体）复合，可进一步实现可拉伸传感器件，例如Ag NWs-聚乙二醇（PEG）水凝胶复合传感器在0–12 kPa压力范围内灵敏度达69.7 kPa?1。
5 纳米线基传感器设计
5.1 水凝胶与MNWs柔性传感器的集成
PEG水凝胶作为基质可显著提升Ag NWs的粘附性和应变响应线性度，传感器在循环测试中保持稳定（ΔI/I0漂移<1.8%）。
5.2 微结构与MNWs柔性传感器的集成
微柱阵列结构（如ILCS、PPCS设计）通过调控接触几何，实现压力传感器的高灵敏度（20.1 kPa?1）和宽检测范围（0–16 kPa）。
5.3 各向异性预应变MNWs柔性传感器
预应变PDMS基底赋予Ag NWs网络褶皱结构，使传感器可区分多方向应变（如0°与90°拉伸的电阻变化差异显著），适用于人体运动监测。
5.4 石墨烯-MNWs杂化策略
石墨烯/Ag NWs/石墨烯“三明治”结构通过滑移界面控制微裂纹扩展，实现超高灵敏度（GF>1000）和机械稳定性（>800次循环）。
5.5 纳米发电机基可穿戴系统
MNWs作为电极与摩擦电/压电材料（如PVDF）结合，可构建自供电传感系统，从人体运动中收集能量并驱动生理信号监测。
6 挑战与展望
当前MNWs传感器仍面临材料成本（Ag）、氧化稳定性（Cu）及结电阻稳定性等挑战。未来需通过合金设计、界面工程和规模化印刷技术推进实用化，并结合物联网（IoT）框架拓展其在智能医疗、机器人领域的应用。
7 结论
MNWs通过可调的合成策略、灵活的加工方法和创新的器件设计，已成为柔性电子领域的核心材料体系。随着多学科交叉研究的深入，MNWs基传感器有望推动下一代可穿戴技术向高性能、低功耗和人性化方向演进。
