蝴蝶翅膀微腔中发现气体涡旋，助力超灵敏气体传感器研发

气体传感器对环境监测、工业安全和医疗诊断（如呼气诊断）至关重要，但其在痕量气体检测中常面临灵敏度与稳定性难以兼顾的问题。传统提高灵敏度的方法（如表面功能化、缺陷工程）往往会影响长期稳定性，而气体-固体相互作用时间不足也限制了检测灵敏度。本研究从蝴蝶翅膀的周期性微腔结构中发现了气体涡流效应，该效应能延长分子停留时间，为解决上述权衡问题提供了生物启发的新机制。

研究团队通过计算流体动力学、荧光追踪和舍伍德数分析验证，确立了一个通用设计规则：直径与高度比（D/H）为1至1.33的周期性微腔会产生集中涡流，可将分子停留时间延长85%，并优化传质效率。这一几何原理使金属氧化物（如ZnO、In₂O₃、Co₃O₄、WO₃）传感器在保持长期稳定性的同时，实现了超低检测限（0.8至30 ppb）。例如，基于蝴蝶翅膀模板的Pd/ZnO传感器对乙醇的检测限低至0.8 ppb，较平面结构传感器提升11倍，且60天内性能无衰减。

为验证普适性，研究团队将该机制应用于多种金属氧化物传感器，分别实现了对甲醛（2 ppb）、甲苯（27 ppb）、丙酮（4 ppb）的超低检测。进一步构建的四通道微传感器阵列，整合了不同敏感材料，能实时分析人体呼吸中的代谢生物标志物，其结果与气相色谱-质谱（GC-MS）分析一致，可区分饮食（如摄入醋、水果）、行为（如运动、吸烟）及生理状态（如脂质代谢、酒后 sober）的呼吸特征。

该研究通过几何流体控制而非材料化学修饰，解决了气体传感器灵敏度与稳定性的经典矛盾，为ppb级气体检测提供了通用框架，在无创医疗诊断、室内空气质量监测等领域具有重要应用前景。