科学家实现检测分析物的快速精确调控，有望实现传感器结构小型化

当前，随着智能化的发展，现代社会对于传感器的需求的也在提高。

传统传感器在灵敏度、选择性、响应时间等方面存在一定的局限性。

比如，使用气湿敏传感器检测低浓度分析物时，仍然不能及时地捕捉浓度的变化，因此无法满足极端环境中的应用需求。

而这类传感器要想实现商业化应用，就需要解决批量生产、成本控制和标准化等问题。

相比之下，电操纵的纳米限域传感器，具有体积更小、能耗更低、灵敏度更高、选择性更强等优势，并已经在化工和制药等领域实现工业自动化应用。

因此，采用电操纵的纳米限域传感器不仅能够提升检测能力，还能显著降低检测设备的尺寸和成本。基于此，学界开始研究传感材料与传感机制的创新。

同时，在现代材料科学、纳米技术和传感技术相互交织的背景下，研究人员开始考虑直接跳过现有的传统敏感材料，即利用二维材料固有的二维通道来进行调控。

通过施加外界物理电场，人们发现了二维限域通道内的反常分子动力学规律，即可以通过电压来精准调控二维通道内的分子结构和输送速率。

依据这一现象，在近期一项研究中，华东理工大学团队针对传感检测分析物实现了快速、精确的调控，并有望进一步提高传感器性能、以及实现传感器结构的小型化。

详细来说，该课题组展示了电场控制之下的 Li+/K+ 离子插层的多层 Ti3C2，并描述了二维通道内的反常分子动力学。

同时，该团队采用高分辨电镜、原位 X 射线衍射、原位红外光谱等手段，进行了仔细探究。

并在电场条件之下，开展了水分子形态结构的探测，以及讨论了形成机制。

日前，相关论文以《纳米流体传感受到电埃米尺度通道中异常水动力学的启发》（Nanofluidic sensing inspired by the anomalous water dynamics in electrical angstrom-scale channels）为题发在 Nature Communications[1]。

图 | 张博威（来源：张博威）

华东理工大学博士生褚天舒是第一作者，华东理工大学张博威特聘研究员和轩福贞教授担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

事实上，此前张博威并未太多关注纳米限域空间，一直将研究重心放在敏感材料上。

一次偶然的机会里，他和团队在研究一种具有类似手风琴结构的多层二维碳化钛时，发现在电场控制之下，那些受到空间限制的气态分子表现出与常规宏观尺度不同的结构和动力学行为。

与此同时，他们在原位红外光谱上验证到了这一现象：即水分子在外界电场存在时，会发生结构演变。但是，当时他们并不知道这一现象与传感领域的关联。

经过连续几天的讨论，组会气氛也开始有些紧张和疲惫。就在大家快要失去信心的时候，他们将其与水分子的动力学传输过程联系起来。

课题组认为将这种现象与传感结合，或许可以调控传感器的选择性和响应速度，借此制定了详细的研究计划，同时获得了成功的实验结果。

最终，他们不仅探明了限域分子动力学的机制，还建立了精准调控的方法。

尽管本次研究取得了一定进展，但是领域之内仍然面临一些关键挑战。

具体来说：

一方面，未来还要考虑传感器的稳定性、成本效益和规模化生产。

另一方面，由于此次研究的本质在于：通过外界电场实现对于分析物的操控。

那么，在磁场、光场等其他物理场之中比，是否也存在特殊的未知现象？这些都是非常值得该团队继续探索的问题。

参考资料：

1.Chu, T., Zhou, Z., Tian, P.et al. Nanofluidic sensing inspired by the anomalous water dynamics in electrical angstrom-scale channels. Nat Commun 15, 7329 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51877-7

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