银纳米线合成及其柔性传感应用研究进展

1 引言

银纳米线是一种一维纳米材料，具有高长径比、优异的导电性（接近块体银）和良好的机械柔韧性。具有出色的电导率和热导率，低表面电阻，高透明度，可调的光学特性以及良好的生物相容性。成为了下一代柔性电子器件的核心材料之一。近年来，随着合成技术的突破与应用需求的增长，银纳米线的研究进入了快速发展阶段。长径比和尺寸均匀性是评价银纳米线的两个核心指标。高长径比和尺寸均匀的银纳米线易于形成深度交联的网络结构，从而降低银纳米线的电阻。

2 银纳米线的合成方法

目前已经报道了多种银纳米线的制备方法，主要包括化学还原法、模板法、水热法、光化学与激光辅助法、微波辅助法和生物合成法等。

2.1 化学还原法

多元醇法是最常用的化学还原方法，也是目前银纳米线工业生产中最受欢迎的合成方法，通常以乙二醇（EG）或丙三醇为溶剂和还原剂，硝酸银为银源，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为形貌封端剂，卤化物盐溶液为控制剂。加热混合物，硝酸银被多元醇还原，形成银纳米颗粒种子，封端剂 PVP 在种子（100）晶面选择性封端防止种子聚集以促进各向异性生长，进一步通过控制反应温度、PVP 链 长、PVP 与 AgNO3的摩尔比、卤化物浓度优化银纳米线的合成。如 Li[1]等以 FeCl3 和 KBr 复合金属盐为控制剂获得了平均直径为 25-35 nm、平均长度为 35-45 µm、长径比超过 1000 的柔性 AgNWs。多元醇法制备银纳米线成本低、易于规模化，但需纯化去除 PVP 残留，纳米线直径分布较宽。

2.2 模板法

模板法是利用一系列模板，设计为特定的尺寸和结构，使纳米粒子随着模板朝一维纳米线生长，有学者以多孔阳极氧化铝（AAO）或聚合物为模板，通过电化学沉积填充孔道，随后溶解模板获得 AgNWs。该方法可精确控制银纳米线的直径与排列方式，获得尺寸均一的纳米线，适用于高精度器件制备，但存在模板成本高、产率低等问题。以表面活性剂（如 CTAB）或生物分子（如 DNA）自组装形成动态结构引导 AgNWs 生长。该方法环保且可调控银纳米线形貌，但存在模版稳定性与大规模生产难的问题。

2.3 水热法

水热法是在密闭高压反应釜中，通过高温高压条件促进银前驱体还原成核并沿特定晶面生长。Yang[2]报告了一种新颖而简单的水热方法，仅使用硝酸银和柠檬酸钠合成了平均直径 53nm，长度 6μm 的银纳米线，而无需任何外部种子或模板。有学者采用硝酸银和葡萄糖混合，添加少量氯化钠溶液，采用水热法成功制备了银纳米线。水热法可与多元醇法配合使用，以 Na2S 为控制剂，制备了尺度均匀的纯银纳米线[3]。

2.4 光化学与激光辅助法

光化学辅助合成银纳米线是通过紫外光或激光辐照可激发 Ag？ 还原为Ag？，如在带负电的金种子存在的情况下，在紫外光照射下 8 分钟可合成银纳米线。近期，有学者提出了一种双光束激光制造技术，用于在聚对苯二甲酸乙二醇酯 （PET） 基板上制造了柔韧性好和电阻稳定性高的银纳米线[4]。此类方法无需高温处理，适合柔性电子器件的原位合成。

2.5 微波辅助合成法

微波加热通过分子级快速均匀升温加速反应，可将合成时间从数小时缩短至数分钟。有研究表明微波辅助多元醇法可在 5 分钟内大量合成 AgNWs。该方法适用于高通量生产，但需专用设备与参数优化。

2.6 生物合成法

在壳聚糖/甲壳素生物聚合物薄膜内固态形成银纳米线，在甲壳素/壳聚糖基质中形成的 AgNWs 表现出不规则的扭曲形态，柔性银纳米线/壳聚糖纳米复合材料具有导电性。通过使用生物基纤维素衍生物（包括羟乙基纤维素）作为 PVP的有效替代品，可以合成了银纳米线。有学者利用植物提决明子的提取物合成了直径在 范围内且长度达数十微米的银纳米线[5]。该方法环境友好，减少化学试剂使用。但反应时间长，形貌控制困难，产率低。

3.银纳米线柔性传感器应用研究进展

银纳米线性因高导电性与低渗透阈值等独特的物理化学特性，成为柔性传感器的理想材料。在健康与运动监测、智能纺织品与可穿戴设备、压力和触觉传感领域具有广泛的应用前景。

3.1 健康与运动监测

AgNWs 传感器可贴附于喉咙、手腕等部位，实时监测心电图（ECG）、肌电图（EMG）等生理信号。有学者以 AgNWs 和聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基础研究材料，采用简单的置换反应和旋涂工艺制备一维铂镀 AgNWs/PDMS（Pt-AgNWs/PDMS）柔性电极。所制备的电极显示出可比的电导率（1.65 S/cm）、稳定性（40 分钟连续超声）和灵活性（2500 次循环拉伸），可捕获各种生理信号，包括心电图（ECG）、眼电图（EOG）和肌电图（EMG）[6]。有学者将导电MXene 纳米片和银纳米线巧妙地组装到电纺弹性体基板上，制造出一种灵活的透气表皮传感器，用于超灵敏传感和按需光热疗法。制备的柔性透气电子传感器具有广泛的传感范围（高达 120%）、超高灵敏度（GF 高达 4720）、极低的检测限、卓越的可靠性和强大的生物相容性，用于长期医疗监测、超灵敏可穿戴人机界面、智能疾病诊断和治疗。

3.2 智能纺织品与可穿戴设备

将 AgNWs 嵌入纺织品中，制成双向应变传感器，可检测拉伸、弯曲等多维形变，应用于智能服装的姿势矫正与运动监测。将导电银纳米线和多壁碳纳米管（MWCNTs）与海藻酸钠（SA）结合，通过简单的湿法纺丝方法制备了具有优异灵敏度和稳定性的 AgNWs/MWCNT/SA 湿度传感纤维，成功实现了呼吸功能和皮肤表面水分挥发过程的监测功能。另外有学者通过植酸（PA）诱导聚吡咯在表面聚合，然后浸涂银纳米线，构建了一种环保多功能尼龙/棉混纺织物，处理后的混纺织物具有高电导率和优异的 EMI 屏蔽性能。将水性银纳米线（AgNWs）导电油墨丝网印刷到聚对苯二甲酸乙二酯基材上，制备了一种全印制柔性传感器，该传感器具有长期的机械循环稳定性（在 1000 次弯曲循环后无明显衰减）和出色的粘合性能（在 20 倍后电阻没有明显增加）。将 1D 银纳米线和 2D MXene 材料涂覆在尼龙/氨纶混纺针织物上制备了高灵敏度（应变系数高达 267）、宽检测范围（1%–115%）、疏水性的传感器，在可穿戴领域有广泛的应用[7]。

4.结论与展望

银纳米线的主流合成方法仍是化学还原法，因其平衡了成本与效率；模板法适合高精度需求场景；绿色合成与微波辅助法是未来趋势。银纳米线凭借其高导电性、柔韧性和可定制化结构，已成为柔性传感领域的核心材料。通过材料复合、结构创新与制备技术突破，AgNWs 传感器在健康监测、智能穿戴、人机交互等领域展现出巨大潜力。但银纳米线在循环拉伸中易发生氧化或断裂，需通过表面包覆（如石墨烯、聚多巴胺）增强耐久性。未来银纳米线传感器将结合压阻、电容和离电机制，同时检测应变、温度、湿度等多参数。例如，AgNWs 水凝胶复合传感器已实现应变与pH 的双模响应，应用于伤口愈合监测。通过机器学习优化传感器信号处理算法，可提升数据解析精度。

参考文献

[1] Li J， Zhang H， Yang H， et al. Synergism of and on the controllable synthesis of flexible silver nanowires [J]. Inorganic Chemistry Communications， 2023， 158： 111451.

[2] Yang Z， Qian H， Chen H， et al. One-pot hydrothermal synthesis of silver nanowires via citrate reduction [J]. Journal of Colloid and Interface Science， 2010， 352（2）： 285-91.

基金项目：湖南省大学生创新创业训练计划项目资助（项目编号：S202212604003）

通信作者：戴佰林（1989-），男，研究方向：柔性传感器。