當前，隨著智能化的發(fā)展，現(xiàn)代社會對于傳感器的需求的也在提高。

傳統(tǒng)傳感器在靈敏度、選擇性、響應時間等方面存在一定的局限性。

比如，使用氣濕敏傳感器檢測低濃度分析物時，仍然不能及時地捕捉濃度的變化，因此無法滿足極端環(huán)境中的應用需求。

而這類傳感器要想實現(xiàn)商業(yè)化應用，就需要解決批量生產(chǎn)、成本控制和標準化等問題。

相比之下，電操縱的納米限域傳感器，具有體積更小、能耗更低、靈敏度更高、選擇性更強等優(yōu)勢，并已經(jīng)在化工和制藥等領域實現(xiàn)工業(yè)自動化應用。

因此，采用電操縱的納米限域傳感器不僅能夠提升檢測能力，還能顯著降低檢測設備的尺寸和成本。基于此，學界開始研究傳感材料與傳感機制的創(chuàng)新。

同時，在現(xiàn)代材料科學、納米技術和傳感技術相互交織的背景下，研究人員開始考慮直接跳過現(xiàn)有的傳統(tǒng)敏感材料，即利用二維材料固有的二維通道來進行調控。

通過施加外界物理電場，人們發(fā)現(xiàn)了二維限域通道內(nèi)的反常分子動力學規(guī)律，即可以通過電壓來精準調控二維通道內(nèi)的分子結構和輸送速率。

依據(jù)這一現(xiàn)象，在近期一項研究中，華東理工大學團隊針對傳感檢測分析物實現(xiàn)了快速、精確的調控，并有望進一步提高傳感器性能、以及實現(xiàn)傳感器結構的小型化。

詳細來說，該課題組展示了電場控制之下的 Li+/K+ 離子插層的多層 Ti3C2，并描述了二維通道內(nèi)的反常分子動力學。

同時，該團隊采用高分辨電鏡、原位 X 射線衍射、原位紅外光譜等手段，進行了仔細探究。

并在電場條件之下，開展了水分子形態(tài)結構的探測，以及討論了形成機制。

日前，相關論文以《納米流體傳感受到電埃米尺度通道中異常水動力學的啟發(fā)》（Nanofluidic sensing inspired by the anomalous water dynamics in electrical angstrom-scale channels）為題發(fā)在Nature Communications[1]。

華東理工大學博士生褚天舒是第一作者，華東理工大學張博威特聘研究員和軒福貞教授擔任共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Nature Communications）

事實上，此前張博威并未太多關注納米限域空間，一直將研究重心放在敏感材料上。

一次偶然的機會里，他和團隊在研究一種具有類似手風琴結構的多層二維碳化鈦時，發(fā)現(xiàn)在電場控制之下，那些受到空間限制的氣態(tài)分子表現(xiàn)出與常規(guī)宏觀尺度不同的結構和動力學行為。

與此同時，他們在原位紅外光譜上驗證到了這一現(xiàn)象：即水分子在外界電場存在時，會發(fā)生結構演變。但是，當時他們并不知道這一現(xiàn)象與傳感領域的關聯(lián)。

經(jīng)過連續(xù)幾天的討論，組會氣氛也開始有些緊張和疲憊。就在大家快要失去信心的時候，他們將其與水分子的動力學傳輸過程聯(lián)系起來。

課題組認為將這種現(xiàn)象與傳感結合，或許可以調控傳感器的選擇性和響應速度，借此制定了詳細的研究計劃，同時獲得了成功的實驗結果。

最終，他們不僅探明了限域分子動力學的機制，還建立了精準調控的方法。

盡管本次研究取得了一定進展，但是領域之內(nèi)仍然面臨一些關鍵挑戰(zhàn)。

具體來說：

一方面，未來還要考慮傳感器的穩(wěn)定性、成本效益和規(guī)模化生產(chǎn)。

另一方面，由于此次研究的本質在于：通過外界電場實現(xiàn)對于分析物的操控。

那么，在磁場、光場等其他物理場之中比，是否也存在特殊的未知現(xiàn)象？這些都是非常值得該團隊繼續(xù)探索的問題。

審核編輯 黃宇