研究背景
非法拉第交界面（NFJ）是离子导体与电子导体之间的一种连接方式，因其不涉及电化学反应而展现出类似电容器的特性，成为近年来传感技术领域的研究热点。随着对环境信号的精确感知需求日益增加，NFJ传感器因其高灵敏度、快速响应、长寿命及非破坏性等优点，逐渐成为在生物医学、可穿戴设备、软体机器人等领域的重要技术。然而，NFJ传感器在实际应用中仍面临一些挑战，尤其是在柔性、可拉伸性、透明性和可降解性等方面的材料选择和技术集成问题。为了应对这些挑战，中山大学王叶成青年研究员、西安交通大学贾坤副教授、哈佛大学锁志刚院士携手在“Nature Reviews Materials”期刊上发表了题为“Non-faradaic junction sensing”的最新综述论文。科学家们开始集中精力开发新型材料和优化传感器设计。综述指出，他们通过灵活选择电子导体、离子导体和介电材料，研究人员成功地在NFJ传感器中实现了软性、可伸缩性和透明性等性能，满足了当前对高效、便捷传感器的需求。科学家通过这些创新，NFJ传感器不仅在传统的心电图、脑电图和肌电图等电生理学应用中取得了显著进展，也在压力、温度、声音及化学物质传感等新兴领域展示了巨大的潜力。
主要内容
实验总结NFJ传感器的原理与特性，得到了NFJ传感器在不发生电化学反应的情况下，可以通过电子导体和离子导体的交界面进行信号传递。NFJ传感器的电荷-电压曲线对环境信号（如压力、声音、温度和化学物质）非常敏感，能够作为高灵敏度的传感器工作。
论文通过阐述NFJ的工作机制及应用，提出NFJ传感器具有高灵敏度、快速响应、小尺寸、非破坏性和长久性等优点，且可以自供电。研究还指出，NFJ传感器在心脏、大脑、肌肉的电生理学监测中已有广泛应用，并在可穿戴设备、可植入设备、软体机器人以及各类环境监测中展现了巨大的潜力。
- 论文通过分析NFJ传感器的材料选择与灵活性，展示了在电子导体、离子导体和介电材料的选择上具有较大的自由度，能够满足柔软性、可拉伸性、透明性和可降解性等多种挑战性要求，为NFJ传感器的实际应用提供了可能的解决方案。
图文解读
图2：通过一系列电压步进在电解液中对两个电极的表征。
结论展望
在NFJ传感技术的发展中，我们现在重点讨论其面临的挑战和机遇。NFJ的主要表征特性包括交界面电压、界面电荷、交界面电容和表面张力等。这些宏观特性由微观结构决定，而微观结构的表征仍然具有挑战性。同步辐射X射线技术，如X射线驻波、X射线吸收光谱和X射线光电子能谱，已被用来研究NFJ中的离子浓度和电场。由于交界面受多种变量的影响，包括离子种类浓度、溶剂、电子导体、温度、压力、电压和界面化学等，因此仅通过实验对特定交界面的完整表征是一个巨大的任务。因此，NFJ为跨学科研究提供了一个丰富的平台，结合实验、模拟和机器学习来进行深入研究。尽管我们已经描述了自供电的NFJ温度和化学传感器，但现有的NFJ压力和声学传感器依赖于电容的测量。理论上，所有信号类型的NFJ传感器都可以实现自供电。例如，由于NFJ的电压与交界面面积无关，因此环境信号引起的交界面电容变化可以导致电极上电荷的变化。通过电荷放大器可以测量这种电荷变化，从而使传感器能够自供电。由于NFJ化学传感器暴露于环境中，使用一段时间后，交界面可能会被各种分子污染，影响交界面的校准。这种污染限制了传感器的使用时间，因此任何能够清洁或自清洁传感器的策略都是值得追求的。在化学传感中，许多分析物可能存在于溶液中。单次电压测量不足以精确地检测每种分析物的浓度。一个多重传感策略是使用由多种化学成分组成的NFJ阵列来测量多个电压。每个电压是多个分析物浓度的函数，通过这些测量，可以确定浓度空间与电压空间之间的关系。通常，这种关系是非线性的，可以用来确定每种分析物的浓度。此类多重传感策略还可以扩展到包括化学以外的信号，如温度、压力和拉伸等。本文重点讨论了电极-电解质交界面。然而，电荷也可以在电解质-电解质交界面吸附。吸附的电荷将稳定电解质中的离子气氛。这样的交界面也可以用于开发完全离子的传感器，模仿神经元之间的交界面。特别是，两个类型的聚电解质交界面，一种携带正离子，另一种携带负离子，类似于半导体的p-n交界面。已有一些此类设备的研究示范。理论上，NFJ传感器可以做得非常小并且具有任意形状，这使得它们能够在复杂的工程结构和生物系统中映射不同环境信号的分布。然而，制造具有独特几何形状和结构的NFJ传感器是具有挑战性的。增材制造技术已经在各种材料和结构上取得了高度发展，为NFJ传感器及其阵列的大规模制造提供了潜在的解决方案。 软材料的快速发展为选择电子导体和离子导体提供了巨大的灵活性，以实现透明性、可拉伸性、柔软性和可降解性。NFJ传感器自供电或在低电压下工作，可以作为生物电子界面与神经元和其他细胞相连。此外，软性、多孔、生物相容性电子和离子导体的使用新兴发展，可以大大提高NFJ传感器的灵敏度，进而创建与生物系统的强大接口。为了确保离子导体和电子导体的交界面是非法拉第的，必须选择那些离子和电子不发生电化学反应的材料。为了满足新兴应用（如可穿戴设备和软体机器人）中的挑战性要求，交界面两侧的材料需要具备柔软性、可拉伸性、透明性和可降解性。理想的极化电极是指在任何施加电压下，离子和电子在交界面处都不交叉的电极，这类电极是避免电化学反应的良好选择。尽管在整个电压范围内没有此类电极，但许多交界面在特定电压范围内是非法拉第的，称为电化学窗口。例如，汞与脱氧氯化钾溶液之间的交界面在大约2V的电压范围内是非法拉第的。本文讨论的大多数传感器使用金属导体。像金、铂、银这样的惰性金属导体在没有施加电压时有效地避免电化学反应。某些活性金属（如铝和钛）通过一层薄且致密的天然氧化膜被钝化，从而减缓了电化学反应，确保NFJ传感器的稳定运行。从理论上讲，高熵合金具有可设计的微观结构和性能，也可以作为具有高灵敏度、选择性和稳定性的NFJ传感器的电极。 10.碳（包括石墨、碳脂、碳纳米管和石墨烯）是另一类广泛使用的电子导体。具有较高界面面积与体积比的碳电极已广泛应用于超级电容器、执行器和传感器中。碳与电解质之间的交界面可以形成NFJ，而碳电极中较大的面积比增强了NFJ传感器的灵敏度。导电聚合物通常由软弹性聚合物基体和导电颗粒或导线组成。特别是，具有多孔结构的导电聚合物水凝胶电极被用来增加交界面电容，以实现高保真度的离子-电子转导。此类电极提高了NFJ传感器的灵敏度，同时使其变得柔软和可拉伸。半导体也已作为电极用于开发NFJ传感器。如前所述，电解质-绝缘体-半导体器件是一种成熟的化学传感方法，依赖于半导体与离子导体之间的NFJ。为了使电子导体适应新兴应用（如可穿戴传感、软体机器人和可拉伸生物电子学），在几何设计和材料层面都已开发出不同的策略。几何设计通常是全局软而局部硬的，因其整体形状而具有可拉伸性，而不是依赖于材料本身的内在特性。例如，蛇形金属线、金属纳米网和金属纳米线等。可拉伸材料（包括导电聚合物和有机半导体）是全球软性的，因其内在材料设计具有可拉伸性。生产可拉伸碳基导体的常见方法是将碳填料分散到弹性体基体中，形成复合材料。碳（如碳纳米管和石墨烯）的墨水也可以打印到弹性体表面。对于软性光学设备（如可拉伸显示器），透明电子导体是必要的。铟锡氧化物是著名的透明电子导体，但其脆性和不可拉伸性是其局限性。通常，难以同时获得可拉伸和透明的电子导体。然而，在透明且可拉伸的电子导体方面已经取得了一定进展，并且有许多相关的综述文章可供参考。离子导体是一类广泛的材料，包括液态电解质、水凝胶、离子凝胶和聚电解质。这种多样性为设计具有各种属性（如透明性、可拉伸性、柔软性和可降解性）的NFJ传感器提供了巨大的灵活性。许多离子导体中含有水，水能够溶解许多其他分子并使其自由迁移，从而使离子导体能够模仿生物组织的功能。最著名的离子导体是盐水，或通常的电解液。无机超级离子导体也正在开发用于固态电池中。Wang, Y., Jia, K. & Suo, Z. Non-faradaic junction sensing. Nat Rev Mater (2024).https://doi.org/10.1038/s41578-024-00755-1
