浙大徐文道等综述：可持续材料驱动的太赫兹功能器件

研究背景

可持续材料因其可再生、生物降解和生物相容性强等特点引起广泛关注，可持续材料器件的使用能够有效降低材料成本，减少环境污染。本文围绕太赫兹功能器件，介绍了多种来源的可持续材料以及它们在太赫兹频段独特的电磁特性，包括可调介电常数、低损耗等；聚焦太赫兹通讯、分子信息感知和生物医学检测领域并讨论了可持续材料的应用机制与实例；最后展望了可持续材料-太赫兹功能器件的创新发展。

Sustainable materials enabled terahertz functional devices

Baoning Wang, Haolan Wang, Ying Bao, Waqas Ahmad, Wenhui Geng, Yibin Ying, Wendao Xu*

Nano-Micro Letters (2025)17: 212

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01732-1

本文亮点

1. 讨论了可持续材料的主要来源与类型，以及在高性能太赫兹功能器件制造方面的优势。

2. 介绍了可持续材料在太赫兹通讯、分子信息感知和生物医学检测领域的应用策略与实例。

3. 提出了可持续材料在太赫兹功能器件领域的挑战和未来创新发展方向。

内容简介

可持续材料指来源广泛、环境影响小、可再生或可降解的材料，例如生物基高分子、蛋白类材料、纤维素，以及通过上述材料衍生得到的其他材料等。使用可持续材料代替传统材料，可显著降低器件对环境的负面影响，同时节约成本。这一优势在太赫兹器件中尤为突出——太赫兹器件通常比可见/红外器件尺寸更大，器件的制造成本和环境影响将成为关键制约因素，可持续材料的为此提供了低成本、环保的解决方案。

浙江大学智能生物产业装备创新团队徐文道等人系统介绍了可持续材料驱动太赫兹功能器件的最新进展，突出可持续材料在太赫兹功能器件构建和应用中的独特优势。文章中介绍了多种可持续材料的来源、种类和化学特性，进一步讨论可持续材料在高性能太赫兹功能器件制备方面的优势与应用实例。文章围绕应用场景，将基于可持续材料的太赫兹功能器件分为三组，包括(a)用于电磁干扰/屏蔽(EMI)和无线近场通信(NFC)的功能器件；(b)用于湿度和小分子信息感知的传感器件以及环境监测器件；(c)聚焦生物和医学领域的太赫兹功能器件，包括在临床生物学、医学检测和监测中使用可持续材料的太赫兹功能器件。

图文导读

I 基于可持续材料的太赫兹功能器件研究概述

图1系统展示了本研究工作的整体框架，概述了各种可持续材料的详细来源和化学结构，包括纤维素等植物基材料、丝蛋白等蛋白质材料以及其他材料，包括这些可持续材料的基本结构和性能，以及上述材料如何赋能太赫兹功能器件制备和新兴应用设计。

图1. 本工作的示意图：中心圆形代表可持续材料和太赫兹技术，外环表示可持续材料的来源、种类及其在太赫兹功能器件方面的应用。

II 可持续材料的结构与特性

2.1 植物基可持续材料

以纤维素、淀粉、壳聚糖等为代表的植物基可持续材料在结构和特性方面已得到广泛的研究。如图2a所示，纤维素是由β-D-葡萄糖吡喃糖单元通过β-1,4-糖苷键连接而成的聚合物，广泛存在于竹子、木材、棉花等生物质的细胞壁中。此外，真菌和细菌还能够合成可再生、低成本、可生物降解的细菌纤维素。图2b展示的淀粉是一种天然的植物性材料，来源于玉米、马铃薯、木薯等作物。海藻酸盐是来源于海洋褐藻的可持续材料，具有无毒、高粘性和柔性的特性，是构成其细胞质和细胞间基质的主要成分。图2e表明在凝胶基材料中，海藻酸盐通过交联反应与某些阳离子形成蛋盒结构。钙离子等阳离子被束缚在凝胶网络的空腔中，形成螺旋构象，通过调整比例改变凝胶的硬度和弹性，可根据设计要求应用于感知器件和医疗应用。

图2. (a) 纤维素的代表性来源及其由具有β-1,4-糖苷键的重复单元以及结晶和无序区域；(b) 淀粉的代表性来源；(c) 直链淀粉和支链淀粉的化学结构；(d) 海藻酸盐的代表性来源；(e) 海藻酸盐凝胶化蛋盒模型。

2.2 蛋白质基可持续材料

基于蛋白质的可持续材料因其出色的生物降解性、可再生性和广阔的应用前景受到了广泛的关注。蛋白质基可持续材料包括丝蛋白、抗体和胶原蛋白等。丝蛋白具有出色的机械性能和生物降解性，主要包括两种不同的结构，即丝I(β折叠结构)和丝II(非β折叠结构)。两者主要由重链(H，390 kDa)和轻链(L，26 kDa)组成，通过二硫键连接(图3b)。丝I结构中富含酪氨酸和丝氨酸的序列，增强了分子交联能力，丝II结构增强了丝蛋白的柔软性和透气性，较多用于生物医学和传感器领域。此外，抗体(图3c)作为生物识别元件，表现出对靶分子极高的特异性和亲和力，能够实现精确的识别与结合，对于开发诊断工具和治疗剂至关重要。图3d展示了胶原蛋白分子的结构，其三维螺旋结构由三条通过氢键和共价键相互作用的α多肽链构成。三维螺旋结构的胶原分子自组装成原纤维，随后聚集形成胶原纤维。胶原蛋白具有优异的生物相容性和可降解性，可以通过化学或物理方法为所需目的进行定制，以满足不同需求。其三维螺旋结构和自组装纤维使其成为临床应用的理想材料之一，特别是在软骨修复和骨移植领域。

图3. (a) 家蚕、蚕茧；(b) 多功能丝蛋白和交联反应；(c) 抗体的Y形结构和高度特异性的Fc片段；(d) 胶原蛋白的三维螺旋结构；(e) 胶原纤维的三种基本氨基酸：脯氨酸、甘氨酸和羟脯氨酸；(f) 胶原蛋白和明胶的结构。

2.3 其他可持续材料

甲壳素是地球上广泛存在的天然多糖，已成为构建太赫兹功能器件的优良生物质可持续材料之一。由于其独特的生化特性，甲壳素可设计成为用于感知的薄膜，结合具有优异导电特性的水凝胶，有望用于生物医学和机械应用领域。采用壳聚糖脱乙酰酶对甲壳素进行酶促脱乙酰改性，可进一步扩大其应用范围。如图4b所示，该过程通过氨基取代乙酰基增强材料的亲水性。此外，胺化壳聚糖更容易与功能化材料结合，特别是在生物医学领域。最终获得的壳聚糖聚合物不仅具有抗菌和抗氧化性能，还具备较强的自组装能力，在传感器技术和临床治疗应用中展现出巨大潜力。

图4. (a) 壳聚糖代表性来源； (b) 壳聚糖的乙酰化过程； (c) 木质素的来源和结构； (d) 具有复杂三维网络结构的芳香单体结构； (e) 木质素的多种官能团和各种衍生功能材料。

III 太赫兹通讯

太赫兹波提供了高通信频率和带宽，能够实现高速数据通讯。此外，太赫兹波的穿透性和方向性能够有效保护用户隐私。相比于传统材料的太赫兹功能器件，使用可持续材料可以提升材料的降解能力，减少环境污染。例如，结合高导电性的可持续生物碳以及纤维素可制备厚度为3毫米的三维多孔超轻气凝胶和厚度为0.6毫米的柔性纳米纸(图5a)。其中，生物碳结构提供高导电性，纤维素赋予器件机械强度，气凝胶和超薄纳米纸器件表现出优异的电磁干扰屏蔽效果。除了植物性材料外，丝蛋白也广泛用于太赫兹通信的电磁干扰屏蔽，将二维Ni₂P纳米片锚定在丝蛋白上，形成电阻介电型吸收器。采用可控热解策略和歧化反应，达到56.9 dB的最大反射损失值。太赫兹通信设备中使用的传统材料在通道转换过程中可能会带来环境风险，并使散热管理复杂化，特别是对于可穿戴和医疗植入设备中的NFC模块。可持续材料的生物相容性和安全性为太赫兹通信提供了潜在的应用前景。如图5e所示，研究提出了一种基于丝蛋白的分层编码数据存储设备(HEDSD)，通过集成太赫兹超材料捕获光子信息。得益于其优异的电性能和可控的传输能力，基于丝蛋白的HEDSD可分别与电阻开关存储器和衍射光学元件配合，同时收集电子和光学信息。小鼠体内降解实验研究表明，基于丝蛋白的HEDSD可有效植入和生物降解，适用于植入式数据存储系统构建。

图5. (a) 基于碳纳米纤维结合可持续生物炭的超薄纳米纸和气凝胶的制备过程；(b) 石墨/淀粉复合材料的制备和电磁屏蔽机理；(c) 基于二维Ni₂P纳米片的气凝胶；(d) 堆叠的三维碳/纤维素复合层作为可穿戴储能设备中的太赫兹屏蔽材料；(e) 植入式数据存储系统的设计和应用。

IV 太赫兹感知器件可持续材料，如植物性材料和蛋白质类材料，能够为湿度传感、安全检测和环境监测提供新的选择。太赫兹波具有独特的光谱特性和强大的穿透能力，可在不损坏样品的情况下进行内部成分分析，从而实现对土壤、水和空气样品的高精度监测。与传统的多孔陶瓷材料不同，可持续材料表现出明显的吸湿性，材料电导率或电容随环境湿度的变化发生改变。由于水对太赫兹波的吸收强烈，利用太赫兹技术构建的湿度传感器在灵敏度和精度方面均可大幅度提高。研究者通过激光雕刻技术制造超材料，并在超材料表面涂覆丝蛋白，设计出一种太赫兹湿度传感器，借助丝蛋白对水分子的高亲和力提高了太赫兹湿度传感器的检测精度。

在环境检测中，准确监测有害污染物气体对环境安全管理至关重要。基于可持续材料的高性能、低成本和多功能太赫兹功能器件在环境监测领域具有较大应用潜力。如图6b研究了一种基于轻质纤维素纳米纤维的层状多孔生物聚合物气凝胶的制备方法，将AgNWs和含有纤维素纳米纤维的MXene层嵌入气凝胶基质中，实现复合气凝胶的制备，结果表明该复合气凝胶具有太赫兹双折射特性，可在密度低至2.7 mg/cm3的条件下实现对有机气体的检测。

在安全检测领域，太赫兹技术和可持续材料的结合为无损检测提供了新策略。通过检测太赫兹波在穿过可持续材料时的衰减和相位变化，可实现有害物质的快速识别和定量检测。此外，为进一步将太赫兹技术应用于分子指纹检测，研究人员通过引入适配体和抗体提升太赫兹感知器件对目标物的特异性。具体创新应用包括：多巴胺精蛋白的精确识别，乳腺癌症细胞的超灵敏检测，以及感染性包膜蛋白的有效识别。

图6. (a) 丝蛋白结构的光子能带结构；(b) 基于轻质纤维素纳米纤维的层状多孔生物聚合物气凝胶的构建和低密度下有机气体的检测；(c) 纸基超材料太赫兹传感器实现对葡萄糖的检测；(d) 基于丝蛋白超构材料可编程编码的太赫兹电子-光子融合器件。

V 太赫兹生物医学方面应用

尽管天然源可持续材料具备资源丰富、可生物降解及机械性能优异等特征，但其在传感器件制备过程中仍存在显著局限性：需通过与导电材料的分子级共轭构建功能性复合材料，以实现对导电组分的生物相容性保护；作为生物医学器件的基底或封装部件时，必须构建梯度化封装保护层，避免与生物组织直接接触引发免疫反应；需依据具体研究方法如纺丝、3D打印、自组装等将材料重构为薄膜、微球或支架等多种形态。为克服上述局限性，已有研究者报道了一种基于适配体水凝胶功能化的太赫兹超材料生物传感器。该生物传感器利用特定适配体在硅烷化超材料基底上原位聚合，形成具有多孔网络结构的适配体水凝胶。该生物传感器能够在高吸水性介质中痕量检测人体内α-凝血酶，检出限低至0.4 pM。图7c展示了传感平面的设计，该传感器通过与乳房珠蛋白B1和相应的乳房珠蛋白A2相结合监测太赫兹信号的振幅变化，在1 μL的样本中，LOD检测值低至100个癌细胞，表明该传感器在癌细胞检测方面具有较高灵敏度。

图7. (a) 太赫兹生物传感器信号传输、接收过程和结果；(b) 集成太赫兹超表面芯片与Aβ1-42抗体探针的检测器件；(c) 集成乳腺球蛋白B1/A2双标志物的传感平面。

生物分子的检测在太赫兹传感领域占有重要地位。一方面，太赫兹光谱因其非破坏特性和分子指纹识别能力适用于生物医学传感。另一方面，生物材料不仅可以提高太赫兹传感设备的灵敏度和特异性，还可以通过利用生物分子的特性提高医学成像对比度。因此，快速灵敏地检测各种生物分子，探索基于可持续材料的生物分子检测应用对于临床试验具有重要意义。对于生物分子应用，材料的设计应具有以下特征：i)保持生物活性并确保有效载荷安全；ii)在加工过程中仅产生无毒副产物；iii)易于加工，具备生物相容和可降解性，可定制。

基于可持续材料的太赫兹生物传感器在医学和临床应用中具有巨大潜力。通过设计一种基于分裂环谐振器的太赫兹超材料，并掺杂丝蛋白形成薄膜传感器件，可实时监测太赫兹时域光谱传输的变化。在临床医学应用方面，如图8a展示了一种基于丝蛋白的超材料器件，该器件能够将抗生素作为可降解的抗菌皮肤贴片进行装载。其可控的水溶性和可调节的降解速率使药物释放的实时监测成为可能。丝蛋白材料的特性使太赫兹超材料贴片能够有效地粘附在受感染的小鼠伤口表面。这些可植入和可吸收的治疗性太赫兹器件在植入后无需取出，能够有效促进小鼠体内传感和原位治疗过程。此外，太赫兹技术具有快速响应能力，可以进行实时动态检测，用于食品安全和药品质量控制。

图8. (a) 可植入和可吸收的治疗性太赫兹超材料贴片；(b) 基于丝蛋白和少量贵金属的可植入探测器件研制；(c) 丝蛋白双密度泡沫纤维素构建及其多模态采集机制研究。

VI 总结

可持续材料具有诸多优势，包括来源广泛、生物相容性优异以及生物降解性可调控等。本文章重点介绍了植物基以及蛋白质基可持续材料的结构和性能，并聚焦基于此类材料的太赫兹功能器件，解析作用机理，挖掘性能特征及实际应用场景。尽管基于可持续材料的太赫兹功能器件取得了重要进展(包括低损耗太赫兹传输器件、高性能太赫兹调制器、高灵敏度传感器等)，但仍存在一些需要解决的挑战：(1)太赫兹波段可持续材料的可调性有限，需要进一步设计具有可调电导率和非线性光学响应的复合材料。为了提升器件的可调性，可以尝试在纤维素或壳聚糖中掺杂半导体或导电材料；(2)可持续材料的结构设计和微纳加工技术也是关键的研究方向之一。得益于人工智能技术在太赫兹器件设计方面的研究进展，未来该技术有望应用在基于可持续材料的太赫兹功能器件快速精确设计中。本文章为太赫兹功能器件的开发提供了一条可选的新途径，利用可持续材料的独特优势并挖掘太赫兹功能器件在各个领域的巨大潜力，为医学诊断、生物传感以及通信技术提供了新的选择。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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