研究背景
非法拉第交界面（NFJ）是離子導(dǎo)體與電子導(dǎo)體之間的一種連接方式，因其不涉及電化學(xué)反應(yīng)而展現(xiàn)出類似電容器的特性，成為近年來傳感技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨著對(duì)環(huán)境信號(hào)的精確感知需求日益增加，NFJ傳感器因其高靈敏度、快速響應(yīng)、長(zhǎng)壽命及非破壞性等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為在生物醫(yī)學(xué)、可穿戴設(shè)備、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域的重要技術(shù)。然而，NFJ傳感器在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)，尤其是在柔性、可拉伸性、透明性和可降解性等方面的材料選擇和技術(shù)集成問題。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，中山大學(xué)王葉成青年研究員、西安交通大學(xué)賈坤副教授、哈佛大學(xué)鎖志剛院士攜手在“Nature Reviews Materials”期刊上發(fā)表了題為“Non-faradaic junction sensing”的最新綜述論文。科學(xué)家們開始集中精力開發(fā)新型材料和優(yōu)化傳感器設(shè)計(jì)。綜述指出，他們通過靈活選擇電子導(dǎo)體、離子導(dǎo)體和介電材料，研究人員成功地在NFJ傳感器中實(shí)現(xiàn)了軟性、可伸縮性和透明性等性能，滿足了當(dāng)前對(duì)高效、便捷傳感器的需求。科學(xué)家通過這些創(chuàng)新，NFJ傳感器不僅在傳統(tǒng)的心電圖、腦電圖和肌電圖等電生理學(xué)應(yīng)用中取得了顯著進(jìn)展，也在壓力、溫度、聲音及化學(xué)物質(zhì)傳感等新興領(lǐng)域展示了巨大的潛力。
主要內(nèi)容
實(shí)驗(yàn)總結(jié)NFJ傳感器的原理與特性，得到了NFJ傳感器在不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的情況下，可以通過電子導(dǎo)體和離子導(dǎo)體的交界面進(jìn)行信號(hào)傳遞。NFJ傳感器的電荷-電壓曲線對(duì)環(huán)境信號(hào)（如壓力、聲音、溫度和化學(xué)物質(zhì)）非常敏感，能夠作為高靈敏度的傳感器工作。
論文通過闡述NFJ的工作機(jī)制及應(yīng)用，提出NFJ傳感器具有高靈敏度、快速響應(yīng)、小尺寸、非破壞性和長(zhǎng)久性等優(yōu)點(diǎn)，且可以自供電。研究還指出，NFJ傳感器在心臟、大腦、肌肉的電生理學(xué)監(jiān)測(cè)中已有廣泛應(yīng)用，并在可穿戴設(shè)備、可植入設(shè)備、軟體機(jī)器人以及各類環(huán)境監(jiān)測(cè)中展現(xiàn)了巨大的潛力。
- 論文通過分析NFJ傳感器的材料選擇與靈活性，展示了在電子導(dǎo)體、離子導(dǎo)體和介電材料的選擇上具有較大的自由度，能夠滿足柔軟性、可拉伸性、透明性和可降解性等多種挑戰(zhàn)性要求，為NFJ傳感器的實(shí)際應(yīng)用提供了可能的解決方案。
圖文解讀
圖2：通過一系列電壓步進(jìn)在電解液中對(duì)兩個(gè)電極的表征。 圖6：非法拉第結(jié)化學(xué)感測(cè)。
結(jié)論展望
在NFJ傳感技術(shù)的發(fā)展中，我們現(xiàn)在重點(diǎn)討論其面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。NFJ的主要表征特性包括交界面電壓、界面電荷、交界面電容和表面張力等。這些宏觀特性由微觀結(jié)構(gòu)決定，而微觀結(jié)構(gòu)的表征仍然具有挑戰(zhàn)性。同步輻射X射線技術(shù)，如X射線駐波、X射線吸收光譜和X射線光電子能譜，已被用來研究NFJ中的離子濃度和電場(chǎng)。由于交界面受多種變量的影響，包括離子種類濃度、溶劑、電子導(dǎo)體、溫度、壓力、電壓和界面化學(xué)等，因此僅通過實(shí)驗(yàn)對(duì)特定交界面的完整表征是一個(gè)巨大的任務(wù)。因此，NFJ為跨學(xué)科研究提供了一個(gè)豐富的平臺(tái)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)、模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)來進(jìn)行深入研究。2.自供電非法拉第交界面?zhèn)鞲衅?/span>盡管我們已經(jīng)描述了自供電的NFJ溫度和化學(xué)傳感器，但現(xiàn)有的NFJ壓力和聲學(xué)傳感器依賴于電容的測(cè)量。理論上，所有信號(hào)類型的NFJ傳感器都可以實(shí)現(xiàn)自供電。例如，由于NFJ的電壓與交界面面積無關(guān)，因此環(huán)境信號(hào)引起的交界面電容變化可以導(dǎo)致電極上電荷的變化。通過電荷放大器可以測(cè)量這種電荷變化，從而使傳感器能夠自供電。3.自清潔非法拉第交界面?zhèn)鞲衅?/span> 由于NFJ化學(xué)傳感器暴露于環(huán)境中，使用一段時(shí)間后，交界面可能會(huì)被各種分子污染，影響交界面的校準(zhǔn)。這種污染限制了傳感器的使用時(shí)間，因此任何能夠清潔或自清潔傳感器的策略都是值得追求的。在化學(xué)傳感中，許多分析物可能存在于溶液中。單次電壓測(cè)量不足以精確地檢測(cè)每種分析物的濃度。一個(gè)多重傳感策略是使用由多種化學(xué)成分組成的NFJ陣列來測(cè)量多個(gè)電壓。每個(gè)電壓是多個(gè)分析物濃度的函數(shù)，通過這些測(cè)量，可以確定濃度空間與電壓空間之間的關(guān)系。通常，這種關(guān)系是非線性的，可以用來確定每種分析物的濃度。此類多重傳感策略還可以擴(kuò)展到包括化學(xué)以外的信號(hào)，如溫度、壓力和拉伸等。5.電解質(zhì)-電解質(zhì)交界面?zhèn)鞲?/span>本文重點(diǎn)討論了電極-電解質(zhì)交界面。然而，電荷也可以在電解質(zhì)-電解質(zhì)交界面吸附。吸附的電荷將穩(wěn)定電解質(zhì)中的離子氣氛。這樣的交界面也可以用于開發(fā)完全離子的傳感器，模仿神經(jīng)元之間的交界面。特別是，兩個(gè)類型的聚電解質(zhì)交界面，一種攜帶正離子，另一種攜帶負(fù)離子，類似于半導(dǎo)體的p-n交界面。已有一些此類設(shè)備的研究示范。理論上，NFJ傳感器可以做得非常小并且具有任意形狀，這使得它們能夠在復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)和生物系統(tǒng)中映射不同環(huán)境信號(hào)的分布。然而，制造具有獨(dú)特幾何形狀和結(jié)構(gòu)的NFJ傳感器是具有挑戰(zhàn)性的。增材制造技術(shù)已經(jīng)在各種材料和結(jié)構(gòu)上取得了高度發(fā)展，為NFJ傳感器及其陣列的大規(guī)模制造提供了潛在的解決方案。 軟材料的快速發(fā)展為選擇電子導(dǎo)體和離子導(dǎo)體提供了巨大的靈活性，以實(shí)現(xiàn)透明性、可拉伸性、柔軟性和可降解性。NFJ傳感器自供電或在低電壓下工作，可以作為生物電子界面與神經(jīng)元和其他細(xì)胞相連。此外，軟性、多孔、生物相容性電子和離子導(dǎo)體的使用新興發(fā)展，可以大大提高NFJ傳感器的靈敏度，進(jìn)而創(chuàng)建與生物系統(tǒng)的強(qiáng)大接口。為了確保離子導(dǎo)體和電子導(dǎo)體的交界面是非法拉第的，必須選擇那些離子和電子不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的材料。為了滿足新興應(yīng)用（如可穿戴設(shè)備和軟體機(jī)器人）中的挑戰(zhàn)性要求，交界面兩側(cè)的材料需要具備柔軟性、可拉伸性、透明性和可降解性。理想的極化電極是指在任何施加電壓下，離子和電子在交界面處都不交叉的電極，這類電極是避免電化學(xué)反應(yīng)的良好選擇。盡管在整個(gè)電壓范圍內(nèi)沒有此類電極，但許多交界面在特定電壓范圍內(nèi)是非法拉第的，稱為電化學(xué)窗口。例如，汞與脫氧氯化鉀溶液之間的交界面在大約2V的電壓范圍內(nèi)是非法拉第的。本文討論的大多數(shù)傳感器使用金屬導(dǎo)體。像金、鉑、銀這樣的惰性金屬導(dǎo)體在沒有施加電壓時(shí)有效地避免電化學(xué)反應(yīng)。某些活性金屬（如鋁和鈦）通過一層薄且致密的天然氧化膜被鈍化，從而減緩了電化學(xué)反應(yīng)，確保NFJ傳感器的穩(wěn)定運(yùn)行。從理論上講，高熵合金具有可設(shè)計(jì)的微觀結(jié)構(gòu)和性能，也可以作為具有高靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性的NFJ傳感器的電極。 10.碳（包括石墨、碳脂、碳納米管和石墨烯）是另一類廣泛使用的電子導(dǎo)體。具有較高界面面積與體積比的碳電極已廣泛應(yīng)用于超級(jí)電容器、執(zhí)行器和傳感器中。碳與電解質(zhì)之間的交界面可以形成NFJ，而碳電極中較大的面積比增強(qiáng)了NFJ傳感器的靈敏度。導(dǎo)電聚合物通常由軟彈性聚合物基體和導(dǎo)電顆粒或?qū)Ь€組成。特別是，具有多孔結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電聚合物水凝膠電極被用來增加交界面電容，以實(shí)現(xiàn)高保真度的離子-電子轉(zhuǎn)導(dǎo)。此類電極提高了NFJ傳感器的靈敏度，同時(shí)使其變得柔軟和可拉伸。半導(dǎo)體也已作為電極用于開發(fā)NFJ傳感器。如前所述，電解質(zhì)-絕緣體-半導(dǎo)體器件是一種成熟的化學(xué)傳感方法，依賴于半導(dǎo)體與離子導(dǎo)體之間的NFJ。為了使電子導(dǎo)體適應(yīng)新興應(yīng)用（如可穿戴傳感、軟體機(jī)器人和可拉伸生物電子學(xué)），在幾何設(shè)計(jì)和材料層面都已開發(fā)出不同的策略。幾何設(shè)計(jì)通常是全局軟而局部硬的，因其整體形狀而具有可拉伸性，而不是依賴于材料本身的內(nèi)在特性。例如，蛇形金屬線、金屬納米網(wǎng)和金屬納米線等。可拉伸材料（包括導(dǎo)電聚合物和有機(jī)半導(dǎo)體）是全球軟性的，因其內(nèi)在材料設(shè)計(jì)具有可拉伸性。生產(chǎn)可拉伸碳基導(dǎo)體的常見方法是將碳填料分散到彈性體基體中，形成復(fù)合材料。碳（如碳納米管和石墨烯）的墨水也可以打印到彈性體表面。對(duì)于軟性光學(xué)設(shè)備（如可拉伸顯示器），透明電子導(dǎo)體是必要的。銦錫氧化物是著名的透明電子導(dǎo)體，但其脆性和不可拉伸性是其局限性。通常，難以同時(shí)獲得可拉伸和透明的電子導(dǎo)體。然而，在透明且可拉伸的電子導(dǎo)體方面已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，并且有許多相關(guān)的綜述文章可供參考。離子導(dǎo)體是一類廣泛的材料，包括液態(tài)電解質(zhì)、水凝膠、離子凝膠和聚電解質(zhì)。這種多樣性為設(shè)計(jì)具有各種屬性（如透明性、可拉伸性、柔軟性和可降解性）的NFJ傳感器提供了巨大的靈活性。許多離子導(dǎo)體中含有水，水能夠溶解許多其他分子并使其自由遷移，從而使離子導(dǎo)體能夠模仿生物組織的功能。最著名的離子導(dǎo)體是鹽水，或通常的電解液。無機(jī)超級(jí)離子導(dǎo)體也正在開發(fā)用于固態(tài)電池中。Wang, Y., Jia, K. & Suo, Z. Non-faradaic junction sensing. Nat Rev Mater (2024).https://doi.org/10.1038/s41578-024-00755-1
