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米測MeLab
納米人
2024-12-16
研究背景
非法拉第交界面（NFJ）是離子導體與電子導體之間的一種連接方式，因其不涉及電化學反應而展現(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。隨著對環(huán)境信號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、長壽命及非破壞性等優(yōu)點，逐漸成為在生物醫(yī)學、可穿戴設(shè)備、軟體機器人等領(lǐng)域的重要技術(shù)。然而，NFJ傳感器在實際應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。為了應對這些挑戰(zhàn)，中山大學王葉成青年研究員、西安交通大學賈坤副教授、哈佛大學鎖志剛院士攜手在“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。綜述指出，他們通過靈活選擇電子導體、離子導體和介電材料，研究人員成功地在NFJ傳感器中實現(xiàn)了軟性、可伸縮性和透明性等性能，滿足了當前對高效、便捷傳感器的需求。科學家通過這些創(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應用中取得了顯著進展，也在壓力、溫度、聲音及化學物質(zhì)傳感等新興領(lǐng)域展示了巨大的潛力。 主要內(nèi)容
實驗總結(jié)NFJ傳感器的原理與特性，得到了NFJ傳感器在不發(fā)生電化學反應的情況下，可以通過電子導體和離子導體的交界面進行信號傳遞。NFJ傳感器的電荷-電壓曲線對環(huán)境信號（如壓力、聲音、溫度和化學物質(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的工作機制及應用，提出NFJ傳感器具有高靈敏度、快速響應、小尺寸、非破壞性和長久性等優(yōu)點，且可以自供電。研究還指出，NFJ傳感器在心臟、大腦、肌肉的電生理學監(jiān)測中已有廣泛應用，并在可穿戴設(shè)備、可植入設(shè)備、軟體機器人以及各類環(huán)境監(jiān)測中展現(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，展示了在電子導體、離子導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傳感器的實際應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在電解液中對兩個電極的表征。結(jié)論展望
在NFJ傳感技術(shù)的發(fā)展中，我們現(xiàn)在重點討論其面臨的挑戰(zhàn)和機遇。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。由于交界面受多種變量的影響，包括離子種類濃度、溶劑、電子導體、溫度、壓力、電壓和界面化學等，因此僅通過實驗對特定交界面的完整表征是一個巨大的任務(wù)。因此，NFJ為跨學科研究提供了一個豐富的平臺，結(jié)合實驗、模擬和機器學習來進行深入研究。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溫度和化學傳感器，但現(xiàn)有的NFJ壓力和聲學傳感器依賴于電容的測量。理論上，所有信號類型的NFJ傳感器都可以實現(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)境信號引起的交界面電容變化可以導致電極上電荷的變化。通過電荷放大器可以測量這種電荷變化，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化學傳感器暴露于環(huán)境中，使用一段時間后，交界面可能會被各種分子污染，影響交界面的校準。這種污染限制了傳感器的使用時間，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。在化學傳感中，許多分析物可能存在于溶液中。單次電壓測量不足以精確地檢測每種分析物的濃度。一個多重傳感策略是使用由多種化學成分組成的NFJ陣列來測量多個電壓。每個電壓是多個分析物濃度的函數(shù)，通過這些測量，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展到包括化學以外的信號，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，兩個類型的聚電解質(zhì)交界面，一種攜帶正離子，另一種攜帶負離子，類似于半導體的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雜的工程結(jié)構(gòu)和生物系統(tǒng)中映射不同環(huán)境信號的分布。然而，制造具有獨特幾何形狀和結(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)展為選擇電子導體和離子導體提供了巨大的靈活性，以實現(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)元和其他細胞相連。此外，軟性、多孔、生物相容性電子和離子導體的使用新興發(fā)展，可以大大提高NFJ傳感器的靈敏度，進而創(chuàng)建與生物系統(tǒng)的強大接口。為了確保離子導體和電子導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)生電化學反應的材料。為了滿足新興應用（如可穿戴設(shè)備和軟體機器人）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反應的良好選擇。盡管在整個電壓范圍內(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)傳感器使用金屬導體。像金、鉑、銀這樣的惰性金屬導體在沒有施加電壓時有效地避免電化學反應。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，從而減緩了電化學反應，確保NFJ傳感器的穩(wěn)定運行。從理論上講，高熵合金具有可設(shè)計的微觀結(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體。具有較高界面面積與體積比的碳電極已廣泛應用于超級電容器、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了NFJ傳感器的靈敏度。導電聚合物通常由軟彈性聚合物基體和導電顆粒或?qū)Ь€組成。特別是，具有多孔結(jié)構(gòu)的導電聚合物水凝膠電極被用來增加交界面電容，以實現(xiàn)高保真度的離子-電子轉(zhuǎn)導。此類電極提高了NFJ傳感器的靈敏度，同時使其變得柔軟和可拉伸。半導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-半導體器件是一種成熟的化學傳感方法，依賴于半導體與離子導體之間的NFJ。為了使電子導體適應新興應用（如可穿戴傳感、軟體機器人和可拉伸生物電子學），在幾何設(shè)計和材料層面都已開發(fā)出不同的策略。幾何設(shè)計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（包括導電聚合物和有機半導體）是全球軟性的，因其內(nèi)在材料設(shè)計具有可拉伸性。生產(chǎn)可拉伸碳基導體的常見方法是將碳填料分散到彈性體基體中，形成復合材料。碳（如碳納米管和石墨烯）的墨水也可以打印到彈性體表面。對于軟性光學設(shè)備（如可拉伸顯示器），透明電子導體是必要的。銦錫氧化物是著名的透明電子導體，但其脆性和不可拉伸性是其局限性。通常，難以同時獲得可拉伸和透明的電子導體。然而，在透明且可拉伸的電子導體方面已經(jīng)取得了一定進展，并且有許多相關(guān)的綜述文章可供參考。離子導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，從而使離子導體能夠模仿生物組織的功能。最著名的離子導體是鹽水，或通常的電解液。無機超級離子導體也正在開發(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
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