《智能薄膜和传感器技术合成、特性及应用》是一本全面介绍当今智能薄膜和传感器技术的著作，从用于智能膜的传感材料、具有刺激响应功能的表面、直接分子分离、膜传感器及其突破性应用等方面对当今的智能薄膜及其传感器技术进行了全面的介绍，涵盖了膜的材料、膜的特性及表征、膜的制备以及膜的应用等内容。
人工智能时代的到来，激发了传感器更为广泛的应用，尤其是可穿戴设备在未来拥有者广阔的用空间。本书以国际前沿视角对传感器和薄膜技术进行了系统且全面的介绍，可帮助读者迅速了解薄膜传感器行业现状，展望未来，掌握新技术！
原书前言
毫无疑问，人类是具有最佳感知能力的有机体，因为人是最复杂的热、冷、声音、光和气味的受体系统。实际上，在人体中，物理或化学药剂是通过生物膜传导到人体的，同时电信号通过神经网络传送到大脑，大脑再神奇地将每一个响应信号转换为一个感知活动。
基于这种认知，在过去几年，许多科学家都在试图重现人工感知系统，试图模仿自然的结构和过程。尽管完成这项任务似乎异常艰巨，但许多努力和尝试都仍在这个方向上进行，以推进从感知到感知反应系统的实现。今天，我们所追求的总目标又向前推进了一步，所期望的目标是建立一个超智能的系统。在这种超智能系统中，感知、行动和适应的功能有序地集成在一起。在这一架构中，膜可以在复杂阵列的构建中发挥关键性的作用，互补的智能功能可以被分布和集成在其中。事实上，在膜上进行的分子操作可以在不同尺度上对所需的特性进行有效的量身定制，从而为物质的存储、释放、分离，以及化学反应、能量/质量的传输提供受约束的功能性空间和几何形态，同时也可用于受保护的/微气候调节、清洁、分子尺度的流体流、受控的细胞生长以及用于生物过程甄别的高通量筛选等。
正是在这样的背景下，本书简要介绍了膜和传感器的概念。前者是一种半渗透的表面，它能够使不同种类的分子有选择地通过，同时对其他种类进行阻断。后者是一种能够检测物理、化学或电反应的器件，通过传感器将这些待检测量转换成由人眼直接感知或在仪器上进行测量的信号。因此，当检测功能与自适应传输结合在一起时，膜就会像一种超智能系统。通过这种方式，膜会使其自身主动适应周围的环境，调整自身的结构和化学特性，从而调节质量/能量流和/或传输信号/信息，从而对外部物理和/或化学的输入做出响应。
从这个角度来看，自适应膜有望加速智能系统到超智能系统的转化，并为许多尖端技术领域带来巨大的好处，如远程医疗、微流体、药物的靶向释放、生物分离、纺织、清洁发电、环境监测、农产品食品安全、化妆品、建筑、汽车等。如果考虑到膜技术的模块化可伸缩性，膜传感器的使用将会变得更具吸引力。在集成工厂的设计以及微型化器件的制造过程中，开发基于智能膜的系统有更广泛的潜力，并会使得分子对象可以在一个芯片上得到检测和响应。
在文献方面，尽管已出现了大量有关传感材料或膜分离的出版物，但是这些出版物中很少有专门针对膜类传感器的论述。本书的目的就是将这两个概念结合在一起，以催化互补学科之间的整合进程，分享这一问题的知识和经验，并建立一种相互交流的平台，以吸引世界上许许多多的智能科学和技术的研究人员、探索人员和最终用户。
本书包含了工作在传感材料和膜领域的科学家们深刻的见解。它涵盖了多个方面，包括材料的选择、用于构建具有按需进行质量和能源传输功能响应性膜和表面的技术，以及适用于分子尺度事件的监测技术。所有这些内容都将对开发应用所需的多功能对象的智能性产生重要影响。
本书的第1部分共包括三章内容，介绍了一些用于薄膜的传感材料，如碳纳米管、离子液、光响应水凝胶，自组装脂类、聚合物、构建选择性渗透膜的小微粒，以及具有用作亚微米反应器、催化剂和药物运载工具能力的囊泡结构等。
第2部分致力于分子间相互作用的介绍。正是这种相互作用导致了膜表面的自我调整以及几何形态、化学特性和电荷的恢复，从而能够抵御外部环境的侵袭，实现原始性质的保持，还能够实现自主分子扩散和直接的生物分子识别。除此之外，还从理论和实验的角度讨论了主导自组装材料和超分子结构之间的弱相关作用。
第3部分介绍了用于控制药物释放和生物分离的分子识别机制。在概述了用作生物传感器平台的自组装纳米多孔膜的基础上，对支承识别载体的膜的制造及其在生物分离过程中的应用进行了专门和广泛的讨论。此外，还研究了介孔二氧化硅纳米粒子、沸石、分子印迹膜、仿生亲和膜以及含有环糊精及其衍生物的膜的响应活性。
第4部分介绍了四种先进传感器类膜的应用。一种是用于超灵敏传感器构建的静电纺丝膜，它有利于分析物的吸附以及质量和电荷的传输;另一种为三维传导性支架，使得我们能够对细胞的行为进行监测，能够进行慢性病模型的研究，并进行多次给药的重复性实验;第三种是通过膜的乳化作用制备的感测粒子，它们具有活性物质的传输能力和/或将化学和生化信号转换为光、电、热和机械信号的能力;最后一种是用于超智能织物的自适应膜，它可通过热存储、热调节、模块化的透气性、保护、自清洁、异味捕获、药物传递以及电信号传输等方式，提供自维护、适应性、自动调整和长距离通信等功能。
我很高兴主编了本书，非常感谢每个贡献者的奉献和合作。如果没有他们对知识的热情分享、热忱的态度和时间的奉献，本书就不可能完成。我希望大家都能从阅读本书的过程中有所收获，并通过多学科交叉的讨论，把创新带到自己的研究中去。
Annarosa Gugliuzza
目 录
译者的话
原书前言
第1部分 用于智能膜的传感材料
第1章 基于碳纳米管、离子液体以及聚合物基质的界面在传感和薄膜分离中的应用 3
1.1 引言 3
1.2 用于传感界面的离子液体-碳纳米管复合材料 4
1.3 用于检测和分离气体和溶剂的离子液体界面 9
1.4 用于薄膜分离过程的离子液体-聚合物界面 13
1.5 结论 15
参考文献 15
第2章 用于自适应薄膜的光响应水凝胶 18
2.1 引言 18
2.2 光响应水凝胶薄膜 19
2.2.1 光响应基团:亚肉桂基 19
2.2.2 光响应基团:三苯代甲烷白色衍生物 23
2.2.3 光响应基团:偶氮苯 30
2.2.4 光响应基团:螺吡喃 32
2.2.5 不同发色团的比较 35
2.3 光热响应水凝胶薄膜 37
2.3.1 光吸收体:金纳米颗粒 37
2.3.2 光吸收剂:氧化石墨烯 37
2.4 总结 39
参考文献 40
第3章 智能囊泡:合成、特性与应用 43
3.1 引言 43
3.2 软囊泡的合成 44
3.2.1 自组装成囊泡 44
3.2.2 脂质体 45
3.2.3 聚合物囊泡 45
3.2.4 基于小分子的囊泡 47
3.2.5 直接合成 49
3.3 硬囊泡的合成 51
3.3.1 用于合成硬囊泡的软模板 51
3.3.2 空心硅胶球 53
3.4 囊泡结构的特性 55
3.4.1 显微镜技术 55
3.4.2 散射 56
3.5 囊泡结构中的刺激反应行为 58
3.5.1 热响应囊泡 58
3.5.2 pH值响应型囊泡 59
3.5.3 其他 62
3.6 囊泡的应用 64
3.6.1 由囊泡进行分子分离 64
3.6.2 化学传感器 65
3.6.3 纳米反应器和微反应器 68
3.6.4 催化剂 70
3.6.5 药物输送载体 72
3.7 结论 75
参考文献 75
第2部分 具有刺激响应功能的表面
第4章 传感薄膜及超分子相互作用的计算模型 89
4.1 引言 89
4.2 非共价相互作用:物理和化学观点 90
4.3 物理相互作用 91
4.4 化学相互作用 94
4.5 超分子相互作用的计算方法 96
4.6 经典力场 103
4.7 结论 112
参考文献 113
第5章 涉及薄膜的传感技术用于研究生物分子相互作用和薄膜污染现象 117
5.1 引言 117
5.2 带耗散监测的石英晶体微天平 117
5.3 表面等离子体共振 118
5.4 SPR和QCM-D的应用 121
5.5 结论 127
参考文献 128
第6章 智能膜表面:润湿性增强和自修复性 129
6.1 引言 129
6.2 表面润湿性的基础 130
6.3 润湿性的增强 131
6.4 驱动机制 132
6.4.1 电转换 132
6.4.2 光驱动转换 133
6.4.3 热转换 134
6.4.4 pH值驱动转换 135
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