當(dāng)前，隨著智能化的發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)于傳感器的需求的也在提高。

傳統(tǒng)傳感器在靈敏度、選擇性、響應(yīng)時(shí)間等方面存在一定的局限性。

比如，使用氣濕敏傳感器檢測(cè)低濃度分析物時(shí)，仍然不能及時(shí)地捕捉濃度的變化，因此無(wú)法滿足極端環(huán)境中的應(yīng)用需求。

而這類傳感器要想實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，就需要解決批量生產(chǎn)、成本控制和標(biāo)準(zhǔn)化等問(wèn)題。

相比之下，電操縱的納米限域傳感器，具有體積更小、能耗更低、靈敏度更高、選擇性更強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，并已經(jīng)在化工和制藥等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用。

因此，采用電操縱的納米限域傳感器不僅能夠提升檢測(cè)能力，還能顯著降低檢測(cè)設(shè)備的尺寸和成本。基于此，學(xué)界開始研究傳感材料與傳感機(jī)制的創(chuàng)新。

同時(shí)，在現(xiàn)代材料科學(xué)、納米技術(shù)和傳感技術(shù)相互交織的背景下，研究人員開始考慮直接跳過(guò)現(xiàn)有的傳統(tǒng)敏感材料，即利用二維材料固有的二維通道來(lái)進(jìn)行調(diào)控。

通過(guò)施加外界物理電場(chǎng)，人們發(fā)現(xiàn)了二維限域通道內(nèi)的反常分子動(dòng)力學(xué)規(guī)律，即可以通過(guò)電壓來(lái)精準(zhǔn)調(diào)控二維通道內(nèi)的分子結(jié)構(gòu)和輸送速率。

依據(jù)這一現(xiàn)象，在近期一項(xiàng)研究中，華東理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)傳感檢測(cè)分析物實(shí)現(xiàn)了快速、精確的調(diào)控，并有望進(jìn)一步提高傳感器性能、以及實(shí)現(xiàn)傳感器結(jié)構(gòu)的小型化。

詳細(xì)來(lái)說(shuō)，該課題組展示了電場(chǎng)控制之下的 Li+/K+ 離子插層的多層 Ti3C2，并描述了二維通道內(nèi)的反常分子動(dòng)力學(xué)。

同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)采用高分辨電鏡、原位 X 射線衍射、原位紅外光譜等手段，進(jìn)行了仔細(xì)探究。

并在電場(chǎng)條件之下，開展了水分子形態(tài)結(jié)構(gòu)的探測(cè)，以及討論了形成機(jī)制。

日前，相關(guān)論文以《納米流體傳感受到電埃米尺度通道中異常水動(dòng)力學(xué)的啟發(fā)》（Nanofluidic sensing inspired by the anomalous water dynamics in electrical angstrom-scale channels）為題發(fā)在Nature Communications[1]。

華東理工大學(xué)博士生褚天舒是第一作者，華東理工大學(xué)張博威特聘研究員和軒福貞教授擔(dān)任共同通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Nature Communications）

事實(shí)上，此前張博威并未太多關(guān)注納米限域空間，一直將研究重心放在敏感材料上。

一次偶然的機(jī)會(huì)里，他和團(tuán)隊(duì)在研究一種具有類似手風(fēng)琴結(jié)構(gòu)的多層二維碳化鈦時(shí)，發(fā)現(xiàn)在電場(chǎng)控制之下，那些受到空間限制的氣態(tài)分子表現(xiàn)出與常規(guī)宏觀尺度不同的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)行為。

與此同時(shí)，他們?cè)谠患t外光譜上驗(yàn)證到了這一現(xiàn)象：即水分子在外界電場(chǎng)存在時(shí)，會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)演變。但是，當(dāng)時(shí)他們并不知道這一現(xiàn)象與傳感領(lǐng)域的關(guān)聯(lián)。

經(jīng)過(guò)連續(xù)幾天的討論，組會(huì)氣氛也開始有些緊張和疲憊。就在大家快要失去信心的時(shí)候，他們將其與水分子的動(dòng)力學(xué)傳輸過(guò)程聯(lián)系起來(lái)。

課題組認(rèn)為將這種現(xiàn)象與傳感結(jié)合，或許可以調(diào)控傳感器的選擇性和響應(yīng)速度，借此制定了詳細(xì)的研究計(jì)劃，同時(shí)獲得了成功的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

最終，他們不僅探明了限域分子動(dòng)力學(xué)的機(jī)制，還建立了精準(zhǔn)調(diào)控的方法。

盡管本次研究取得了一定進(jìn)展，但是領(lǐng)域之內(nèi)仍然面臨一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

具體來(lái)說(shuō)：

一方面，未來(lái)還要考慮傳感器的穩(wěn)定性、成本效益和規(guī)?；a(chǎn)。

另一方面，由于此次研究的本質(zhì)在于：通過(guò)外界電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)于分析物的操控。

那么，在磁場(chǎng)、光場(chǎng)等其他物理場(chǎng)之中比，是否也存在特殊的未知現(xiàn)象？這些都是非常值得該團(tuán)隊(duì)繼續(xù)探索的問(wèn)題。

審核編輯 黃宇