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出類似電容器的特性，成為近年來傳感技術領域的研究熱點。隨著對環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點，逐漸成為在生物醫學、可穿戴設備、軟體機器人等領域的重要技術。然而，NFJ傳感器在實際應用中仍面臨一些挑戰，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集成問題。為了應對這些挑戰，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”期刊上發表了題為“Non-faradaic junction sensing”的最新綜述論文?？茖W家們開始集中精力開發新型材料和優化傳感器設計。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。科學家通過這些創新，NFJ傳感器不僅在傳統的心電圖、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、聲音及化學物質傳感等新興領域展示了巨大的潛力。
主要內容
實驗總結NFJ傳感器的原理與特性，得到了NFJ傳感器在不發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-電壓曲線對環境信號（如壓力、聲音、溫度和化學物質）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、肌肉的電生理學監測中已有廣泛應用，并在可穿戴設備、可植入設備、軟體機器人以及各類環境監測中展現了巨大的潛力。
- 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。
結論展望
在NFJ傳感技術的發展中，我們現在重點討論其面臨的挑戰和機遇。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構決定，而微觀結構的表征仍然具有挑戰性。同步輻射X射線技術，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。因此，NFJ為跨學科研究提供了一個豐富的平臺，結合實驗、模擬和機器學習來進行深入研究。盡管我們已經描述了自供電的NFJ溫度和化學傳感器，但現有的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傳感器都可以實現自供電。例如，由于NFJ的電壓與交界面面積無關，因此環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。由于NFJ化學傳感器暴露于環境中，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，通過這些測量，可以確定濃度空間與電壓空間之間的關系。通常，這種關系是非線性的，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。本文重點討論了電極-電解質交界面。然而，電荷也可以在電解質-電解質交界面吸附。吸附的電荷將穩定電解質中的離子氣氛。這樣的交界面也可以用于開發完全離子的傳感器，模仿神經元之間的交界面。特別是，兩個類型的聚電解質交界面，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構和生物系統中映射不同環境信號的分布。然而，制造具有獨特幾何形狀和結構的NFJ傳感器是具有挑戰性的。增材制造技術已經在各種材料和結構上取得了高度發展，為NFJ傳感器及其陣列的大規模制造提供了潛在的解決方案。 軟材料的快速發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展，可以大大提高NFJ傳感器的靈敏度，進而創建與生物系統的強大接口。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生電化學反應的材料。為了滿足新興應用（如可穿戴設備和軟體機器人）中的挑戰性要求，交界面兩側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沒有此類電極，但許多交界面在特定電壓范圍內是非法拉第的，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的電壓范圍內是非法拉第的。本文討論的大多數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傳感器的穩定運行。從理論上講，高熵合金具有可設計的微觀結構和性能，也可以作為具有高靈敏度、選擇性和穩定性的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、執行器和傳感器中。碳與電解質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導線組成。特別是，具有多孔結構的導電聚合物水凝膠電極被用來增加交界面電容，以實現高保真度的離子-電子轉導。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NFJ傳感器。如前所述，電解質-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），在幾何設計和材料層面都已開發出不同的策略。幾何設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在特性。例如，蛇形金屬線、金屬納米網和金屬納米線等。可拉伸材料（包括導電聚合物和有機半導體）是全球軟性的，因其內在材料設計具有可拉伸性。生產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取得了一定進展，并且有許多相關的綜述文章可供參考。離子導體是一類廣泛的材料，包括液態電解質、水凝膠、離子凝膠和聚電解質。這種多樣性為設計具有各種屬性（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用于固態電池中。Wang, Y., Jia, K. & Suo, Z. Non-faradaic junction sensing. Nat Rev Mater (2024).https://doi.org/10.1038/s41578-024-00755-1
