生命活動依賴于離子導體，機器運行依賴于電子導體。當離子與電子間不發(fā)生電化學反應時，非法拉第結（non-faradaic junction，NFJ）就成為橋接生命與機器的載體。NFJ具有類電容特性，其電荷-電壓曲線對多種環(huán)境信號都敏感。因此，NFJ具有高靈敏、快響應、體積小、穩(wěn)定、自供電等特點，是一個理想的傳感平臺。NFJ傳感器廣泛用于心電、腦電、肌電等電生理信號的測量，在可穿戴設備、可植入設備、軟體機器人等領域中展現(xiàn)出極大的應用潛力。此外，力學原理的發(fā)展和材料合成方法的豐富為NFJ傳感器的設計提供了極大的空間和靈活性，以滿足不同的應用需求和挑戰(zhàn)（如柔軟、可拉伸、透明、可降解等）。

最近，中山大學王葉成研究員、西安交通大學賈坤副教授和哈佛大學鎖志剛教授，對非法拉第結傳感（Non-Faradaic Junction Sensing）這一領域進行了全面系統(tǒng)地綜述，闡述了NFJ傳感的原理，總結了NFJ壓力、聲音、溫度和化學傳感的研究進展，討論了NFJ傳感器的材料選擇（電子導體、離子導體和介電體），展望了NFJ傳感領域的發(fā)展前景與機遇

NFJ傳感原理：

考慮電解質與電極的界面。當離子與電子間不發(fā)生電化學反應時，離子與電子積聚在界面兩側。由于積聚的離子數(shù)和電子數(shù)不相等，離子導體內部會形成具有納米厚度L的離子云層。離子-電子界面和離子云層共同組成了NFJ（圖1）。NFJ具有類電容器特性，其電荷-電壓曲線對壓力、聲波、溫度、化學物質等多種環(huán)境信號敏感，是一個理想的傳感平臺。

圖1 NFJ傳感原理

NFJ傳感具有自供電、快響應、高靈敏、體積小、穩(wěn)定等特點。因為NFJ兩側積聚的離子數(shù)和電子數(shù)不相等，NFJ是一個預充電的電容器，所以NFJ傳感器是自供電的。因為NFJ的厚度小（~1-10 nm），離子擴散距離短，所以NFJ傳感器的響應快。因為NFJ的電容大（~0.1 F m-2），所以NFJ傳感器的靈敏度高、體積小。因為離子和電子間不發(fā)生電化學反應，所以NFJ傳感器的穩(wěn)定性高。

NFJ壓力傳感：

在壓力作用下，離子導體與電子導體的接觸面積發(fā)生變化，使得NFJ電容發(fā)生變化（圖2）。在離子導體和電子導體上引入微結構可以大幅增加二者的接觸面積，從而進一步提高傳感器的靈敏度。與傳統(tǒng)的電容式壓力傳感器相比，NFJ壓力傳感器具有更高的靈敏度和更小的體積。與傳統(tǒng)的壓電式和摩擦電式壓力傳感器相比，NFJ壓力傳感器的材料選擇范圍更廣，且可以測量靜態(tài)壓力。

圖2 NFJ壓力傳感

NFJ聲學傳感：

在聲波作用下，NFJ的電容發(fā)生變化（圖3）。與壓力傳感類似，在離子導體和電子導體上引入微結構可以提高傳感器的靈敏度。與傳統(tǒng)的光學、壓電式和電容式聲學傳感器相比，NFJ傳感器能夠測量更低頻率的聲學信號。

圖3 NFJ聲學傳感

NFJ溫度傳感：

當溫度發(fā)生變化時，NFJ的厚度發(fā)生變化，從而產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（~10 ms）、自供電等特性，且可以擁有多種傳感構型以滿足不同的應用需要。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)點使得NFJ溫度傳感器在智能織物、可穿戴設備、軟體機器人等領域具有應用潛力。

圖4 NFJ溫度傳感

NFJ化學傳感：

當電極和含有化學物質的電解質接觸時，化學物質會吸附在電極-電解質界面，從而產生隨化學物質濃度變化的NFJ電壓（圖5）。NFJ化學傳感器具有高靈敏、快響應、自供電等特性，同時還能進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)測等領域具有廣泛的應用前景。

圖5 NFJ化學傳感

“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）、賈坤副教授（西安交通大學）和鎖志剛教授（哈佛大學；中國科學院外籍院士、美國科學院院士、美國工程院院士、美國藝術與科學院院士）。