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  生命活動(dòng)依賴于離子導(dǎo)體，機(jī)器運(yùn)行依賴于電子導(dǎo)體。當(dāng)離子與電子間不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，非法拉第結(jié)（non-faradaic junction，NFJ）就成為橋接生命與機(jī)器的載體。NFJ具有類電容特性，其電荷-電壓曲線對(duì)多種環(huán)境信號(hào)都敏感。因此，NFJ具有高靈敏、快響應(yīng)、體積小、穩(wěn)定、自供電等特點(diǎn)，是一個(gè)理想的傳感平臺(tái)。NFJ傳感器廣泛用于心電、腦電、肌電等電生理信號(hào)的測(cè)量，在可穿戴設(shè)備、可植入設(shè)備、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域中展現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力。此外，力學(xué)原理的發(fā)展和材料合成方法的豐富為NFJ傳感器的設(shè)計(jì)提供了極大的空間和靈活性，以滿足不同的應(yīng)用需求和挑戰(zhàn)（如柔軟、可拉伸、透明、可降解等）。

  最近，中山大學(xué)王葉成研究員、西安交通大學(xué)賈坤副教授和哈佛大學(xué)鎖志剛教授，對(duì)非法拉第結(jié)傳感（Non-Faradaic Junction Sensing）這一領(lǐng)域進(jìn)行了全面系統(tǒng)地綜述，闡述了NFJ傳感的原理，總結(jié)了NFJ壓力、聲音、溫度和化學(xué)傳感的研究進(jìn)展，討論了NFJ傳感器的材料選擇（電子導(dǎo)體、離子導(dǎo)體和介電體），展望了NFJ傳感領(lǐng)域的發(fā)展前景與機(jī)遇。

NFJ傳感原理

圖1 NFJ傳感原理

  NFJ傳感具有自供電、快響應(yīng)、高靈敏、體積小、穩(wěn)定等特點(diǎn)。因?yàn)镹FJ兩側(cè)積聚的離子數(shù)和電子數(shù)不相等，NFJ是一個(gè)預(yù)充電的電容器，所以NFJ傳感器是自供電的。因?yàn)镹FJ的厚度小（~1-10 nm），離子擴(kuò)散距離短，所以NFJ傳感器的響應(yīng)快。因?yàn)镹FJ的電容大（~0.1 F m^-2），所以NFJ傳感器的靈敏度高、體積小。因?yàn)殡x子和電子間不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，所以NFJ傳感器的穩(wěn)定性高。

NFJ壓力傳感

圖2 NFJ壓力傳感

NFJ聲學(xué)傳感

圖3 NFJ聲學(xué)傳感

NFJ溫度傳感

  當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，NFJ的厚度發(fā)生變化，從而產(chǎn)生隨溫度變化的電壓（圖4）。NFJ溫度傳感器具有高靈敏（~1-10 mV K^?1）、快響應(yīng)（~10 ms）、自供電等特性，且可以擁有多種傳感構(gòu)型以滿足不同的應(yīng)用需要。與傳統(tǒng)熱電偶相比，NFJ溫度傳感器具有更高的靈敏度。與傳統(tǒng)的電阻式溫度傳感器相比，NFJ溫度傳感器是自供電的。此外，NFJ溫度傳感器可以實(shí)現(xiàn)全軟、可拉伸和透明傳感，而傳統(tǒng)溫度傳感器是硬的、不可拉伸和不透明的。這些優(yōu)點(diǎn)使得NFJ溫度傳感器在智能織物、可穿戴設(shè)備、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

圖4 NFJ溫度傳感

NFJ化學(xué)傳感

  當(dāng)電極和含有化學(xué)物質(zhì)的電解質(zhì)接觸時(shí)，化學(xué)物質(zhì)會(huì)吸附在電極-電解質(zhì)界面，從而產(chǎn)生隨化學(xué)物質(zhì)濃度變化的NFJ電壓（圖5）。NFJ化學(xué)傳感器具有高靈敏、快響應(yīng)、自供電等特性，同時(shí)還能進(jìn)行選擇性傳感和可穿戴傳感，在柔性生物電子、食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖5 NFJ化學(xué)傳感

  “Non-faradaic junction sensing”綜述發(fā)表于Nature Reviews Materials，作者有王葉成研究員（中山大學(xué)）、賈坤副教授（西安交通大學(xué)）和鎖志剛教授（哈佛大學(xué)；中國(guó)科學(xué)院外籍院士、美國(guó)科學(xué)院院士、美國(guó)工程院院士、美國(guó)藝術(shù)與科學(xué)院院士）。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41578-024-00755-1