近日，Nature Communications在線報(bào)道了我校77779193永利官網(wǎng)張博威特聘研究員等題為“Nanofluidic sensing inspired by the anomalous water dynamics in electrical angstrom-scale channels”的研究論文，報(bào)道了課題組在二維納米限域傳感領(lǐng)域的研究進(jìn)展，通過提出一種通過結(jié)合外界電場(chǎng)和離子摻雜快速、精確調(diào)控二維通道內(nèi)限域分子動(dòng)力學(xué)，建立了針對(duì)傳感選擇性與響應(yīng)/恢復(fù)速度的精準(zhǔn)調(diào)控策略。
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氣濕敏傳感器被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和日常生活等領(lǐng)域。課題組針對(duì)當(dāng)下氣濕敏傳感器仍存在無法及時(shí)捕捉氣體濃度的變化且在檢測(cè)低濃度分析物時(shí)靈敏度較低等問題，無法滿足極端環(huán)境中的應(yīng)用需求，創(chuàng)新性提出一種二維流體限域傳感策略，采用一種具有分層結(jié)構(gòu)的二維過渡金屬碳化物（Ti3C2 MXene）提供二維敏感通道，通過結(jié)合金屬陽(yáng)離子和電場(chǎng)操縱的概念同時(shí)優(yōu)化傳感器的響應(yīng)和恢復(fù)速度。研究人員結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬、第一性原理計(jì)算、多物理場(chǎng)仿真以及原位光譜實(shí)驗(yàn)等多重手段，發(fā)現(xiàn)低電流會(huì)導(dǎo)致水分子極化，從而引起限域水在二維通道內(nèi)的有序密集排列，而高電流會(huì)誘導(dǎo)限域水解離而聚集成大分子簇，堵塞二維通道；通過電場(chǎng)和陽(yáng)離子調(diào)控，促使二維限域水在三種結(jié)構(gòu)類型之間的平衡轉(zhuǎn)變：?jiǎn)误w ? 二聚體 ? 團(tuán)簇。該策略能夠快速調(diào)節(jié)限域分子在二維通道中的傳輸動(dòng)力學(xué)，有望在傳感、水處理、氣體分離、能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛應(yīng)用。
圖片說明：電場(chǎng)調(diào)控二維限域水結(jié)構(gòu)演化與二維限域傳感性能優(yōu)化
該研究工作以華東理工大學(xué)為通訊單位。我校77779193永利官網(wǎng)博士研究生褚天舒為論文的第一作者，張博威特聘研究員和軒福貞教授為論文的共同通訊作者。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體、國(guó)家自然科學(xué)基金面上及青年項(xiàng)目、上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)等項(xiàng)目的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51877-7