IF：79.8！哈佛大学锁志刚院士等，最新Nature系列综述!

非法拉第结 (NFJ) 是离子导体和电子导体之间的连接，其中不发生电化学反应。该结的行为就像一个电容器，通过化学、电力和熵耦合离子和电子电流。其电荷-电压曲线对各种环境信号敏感，使其能够充当传感器；由于不发生任何反应，传感是无损且持久的。NFJ传感器灵敏度高、响应快、体积小，并且可以自供电。这些传感器广泛用于心脏、大脑和肌肉的电生理学，并且在可穿戴和可植入设备、软机器人以及传感压力、声音、温度和化学物质方面的应用正在兴起。

鉴于此，中山大学王叶成研究员、西安交通大学贾坤副教授和哈佛大学锁志刚院士讨论了NFJ 传感器，强调了结每一侧的设备和材料的开发。选择材料的灵活性使 NFJ 传感器能够满足具有挑战性的要求，例如柔软性、拉伸性、透明度和可降解性。相关综述以题“Non-faradaic junction sensing”发表在最新一期《Nature Reviews Materials》上。

【非法拉第结传感原理】

非法拉第结出现在离子导体（例如电解质）和电子导体（例如金属）之间的界面处，其中不发生电化学反应。这些结充当电容器，在界面处存储电荷并在电解质内形成离子气氛。NFJ电压取决于温度、离子浓度和施加压力等因素，这使得它们对环境变化具有极强的响应能力。由于不发生化学反应，NFJ传感器表现出固有的稳定性和使用寿命。它们的快速响应时间和高电容进一步实现了小型化和自供电操作。

图 1. 非法拉第结的传感原理

【通过电压阶跃表征结点】

NFJ的表征涉及在电极-电解质界面上施加电压阶跃，以确定电荷-电压(Q-V)和电流-电压(I-V)关系。在非法拉第状态下，稳态电流接近于零，并且结处的电荷积累与电容成正比。通过采用受控实验设置（包括顺序电压阶跃或斜坡），研究人员可以精确分析结特性并为基于NFJ的传感器建立基线响应。这些方法确保了传感器输出的可靠性和可重复性。

图 2. 通过一系列电压阶跃表征电解质中的两个电极

【压力传感】

基于NFJ的压力传感器采用夹在电子导体之间的弹性离子导体。在施加的压力下，结的接触面积增加，从而产生更高的电容和可测量的信号。微金字塔、纳米纤维层和多高度微槽等微观结构创新进一步提高了灵敏度和分辨率。这些设计使NFJ传感器能够检测超低压(<0.1Pa)以及心血管脉冲等动态信号。NFJ压力传感器的应用包括可穿戴健康监视器、软机器人和触觉感知系统。值得注意的是，NFJ传感器优于传统的电容式和压电式压力传感器，因为它们单位面积的电容更大，并且能够检测静态压力变化。

图 3. 非法拉第结压力传感

【声学传感】

NFJ 声学传感器利用离子导体在声波作用下的变形能力，实现高灵敏度水下声音检测。采用水凝胶、离子凝胶或石墨烯传感器的设备可检测压力引起的电容或阻抗变化。例如，基于水凝胶的 NFJ 传感器在宽频率范围 (20 Hz - 3 kHz) 内表现出前所未有的灵敏度 (24 mC·N -1)，同时保持声学透明度。与传统的压电和电容式麦克风相比，NFJ传感器在低频检测方面表现出色，在水下监视、环境监测和生物医学诊断等方面具有潜在的应用前景。

图 4. 非法拉第结声学传感

【温度传感】

温度变化会影响NFJ中的离子气氛和界面电荷，从而改变结电压。NFJ温度传感器通过开路电压测量进行工作，从而实现自供电功能。已经提出了几种设备设计：（1）基本设计：对称电极形成传感和参比接点，能够精确检测温度梯度，灵敏度约为1 mV·K ⁻1。（2）可拉伸设计：镀银织物电极和离子水凝胶可打造灵活、拉伸不敏感的传感器。（3）透明设计：分层离子导体和电介质使透明温度传感器成为软机器人和光学设备的理想选择。（4）不对称结：使用不同的电子导体（例如金和铝），传感器可实现高达 ~10 mV·K ⁻1的灵敏度。这些 NFJ 传感器在可拉伸电子产品、软机器人和可穿戴健康系统中特别具有优势，而传统热电偶无法满足这些领域的透明度和灵活性要求。

图 5. 非法拉第结温度传感

【化学传感】

使用NFJ设备的化学传感为选择性和灵敏的分析物检测提供了独特的解决方案。在自供电NFJ化学传感器中，电极-电解质界面处的分析物吸附会产生与分析物浓度成比例的电压。通过集成介电涂层和功能化受体层，传感器可以检测痕量离子和有机分子，实现Fe 3+离子低至10 ⁻17M的限值，比传统鲁米诺测试灵敏六个数量级。多路NFJ传感器可同时检测多种分析物，进一步增强功能，为可穿戴诊断、食品安全和环境监测提供应用。

图 6. 非法拉第结化学传感

【材料】

NFJ传感器的多功能性源于对离子导体、电子导体和电介质材料的精心选择：（1）电子导体：金属（例如金、铝）、碳基材料（例如石墨烯、碳纳米管）和导电聚合物提供拉伸性、透明度和稳定性。（2）离子导体：水凝胶、离子凝胶和聚电解质具有柔软性、可拉伸性和高离子迁移率，模仿生物组织。（3）电介质：薄电介质层（例如，天然氧化物）可稳定界面并增强化学敏感性，同时防止电子隧道效应。动态聚合物网络和自修复材料的最新进展进一步扩大了可拉伸和可降解NFJ传感器的潜力。

【展望】

作者总结到，NFJ传感技术的未来在于克服现有挑战并扩展其应用：（1）自供电传感器：开发无需外部电源即可工作的压力和声音信号NFJ传感器。（2）自清洁机制：解决化学传感中的污染问题，以提高长期可靠性。（3）多重传感：集成NFJ阵列以同时检测多个信号。（4）先进制造：利用增材制造生产具有复杂几何形状的高度定制的传感器阵列。（5）生物电子学：设计柔软、生物相容的NFJ接口，用于实时生理监测和神经元相互作用。随着NFJ传感器的发展，它们将在软机器人、可穿戴健康监测和人工智能驱动的诊断等新兴领域发挥关键作用，在灵敏度、耐用性和功能方面提供前所未有的性能。

来源：高分子科学前沿

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