生命活动依赖于离子导体，机器运行依赖于电子导体。当离子与电子间不发生电化学反应时，非法拉第结（non-faradaic junction，NFJ）就成为桥接生命与机器的载体。NFJ具有类电容特性，其电荷-电压曲线对多种环境信号都敏感。因此，NFJ具有高灵敏、快响应、体积小、稳定、自供电等特点，是一个理想的传感平台。NFJ传感器广泛用于心电、脑电、肌电等电生理信号的测量，在可穿戴设备、可植入设备、软体机器人等领域中展现出极大的应用潜力。此外，力学原理的发展和材料合成方法的丰富为NFJ传感器的设计提供了极大的空间和灵活性，以满足不同的应用需求和挑战（如柔软、可拉伸、透明、可降解等）。

  最近，中山大学王叶成研究员、西安交通大学贾坤副教授和哈佛大学锁志刚教授，对非法拉第结传感（Non-Faradaic Junction Sensing）这一领域进行了全面系统地综述，阐述了NFJ传感的原理，总结了NFJ压力、声音、温度和化学传感的研究进展，讨论了NFJ传感器的材料选择（电子导体、离子导体和介电体），展望了NFJ传感领域的发展前景与机遇。

NFJ传感原理

图1 NFJ传感原理

  NFJ传感具有自供电、快响应、高灵敏、体积小、稳定等特点。因为NFJ两侧积聚的离子数和电子数不相等，NFJ是一个预充电的电容器，所以NFJ传感器是自供电的。因为NFJ的厚度小（~1-10 nm），离子扩散距离短，所以NFJ传感器的响应快。因为NFJ的电容大（~0.1 F m^-2），所以NFJ传感器的灵敏度高、体积小。因为离子和电子间不发生电化学反应，所以NFJ传感器的稳定性高。

NFJ压力传感

图2 NFJ压力传感

NFJ声学传感

图3 NFJ声学传感

NFJ温度传感

  当温度发生变化时，NFJ的厚度发生变化，从而产生随温度变化的电压（图4）。NFJ温度传感器具有高灵敏（~1-10 mV K^?1）、快响应（~10 ms）、自供电等特性，且可以拥有多种传感构型以满足不同的应用需要。与传统热电偶相比，NFJ温度传感器具有更高的灵敏度。与传统的电阻式温度传感器相比，NFJ温度传感器是自供电的。此外，NFJ温度传感器可以实现全软、可拉伸和透明传感，而传统温度传感器是硬的、不可拉伸和不透明的。这些优点使得NFJ温度传感器在智能织物、可穿戴设备、软体机器人等领域具有应用潜力。

图4 NFJ温度传感

NFJ化学传感

  当电极和含有化学物质的电解质接触时，化学物质会吸附在电极-电解质界面，从而产生随化学物质浓度变化的NFJ电压（图5）。NFJ化学传感器具有高灵敏、快响应、自供电等特性，同时还能进行选择性传感和可穿戴传感，在柔性生物电子、食品安全、环境监测等领域具有广泛的应用前景。

图5 NFJ化学传感

  “Non-faradaic junction sensing”综述发表于Nature Reviews Materials，作者有王叶成研究员（中山大学）、贾坤副教授（西安交通大学）和锁志刚教授（哈佛大学；中国科学院外籍院士、美国科学院院士、美国工程院院士、美国艺术与科学院院士）。

  论文链接：https://doi.org/10.1038/s41578-024-00755-1