网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

黑龙江大学许辉教授、徐英明教授Angew:基于簇的动态水键合,实现超快湿度响应与恢复

0
分享至

电子湿度传感器在高性能可穿戴设备中扮演着关键角色,可用于监测环境及人体相关湿度,其工作原理依赖于电阻、阻抗或电容的变化。然而,传感器在实际应用中面临着一项严峻挑战:高灵敏度、良好重复性和超快响应与恢复性能对材料与水分子之间的相互作用强度提出了几乎矛盾的要求。目前,金属氧化物、聚合物、金属有机框架等材料在平衡水分子吸附与解吸过程中仍存在响应慢、恢复时间长或滞后误差大等问题,限制了其在实时人体监测中的应用。

近日,黑龙江大学许辉教授徐英明教授合作提出了一种基于簇材料的湿度传感器,采用具有半暴露Cu₃I₃冠结构的PhQPCu₃I₃簇,实现了超快速的湿度响应与恢复该传感器在11%–97%的相对湿度范围内表现出高达106的灵敏度,滞后误差低至3.2%,响应时间和恢复时间分别仅为0.54秒和0.45秒,接近人类平均反应时间。此外,该传感器首次将综合反应时间控制在1秒以内,成功应用于实时呼吸频率监测和非接触信息输入,展现了簇材料在实时人体相关湿度监测中的巨大潜力。相关论文以“Dynamic Water Bonding on Clusters Enables Ultrafast Humidity Response and Recovery”为题,发表Angew上。


研究团队通过设计三种不同结构的碘化铜簇——[TPP]₄Cu₄I₄、[DBFDP]₂Cu₄I₄和PhQPCu₃I₃,系统调控了簇中配体与核心的比例及碘原子的暴露程度。PhQPCu₃I₃由于其半暴露的Cu₃I₃冠结构和低配位、短间距、同取向的碘原子分布,形成了独特的“H₂O + I...I”动态协同键合机制,显著提升了水分子吸附与解吸的效率和可逆性。器件采用旋涂法制备,簇作为活性层直接暴露于空气中,与水分子的相互作用得以最大化。


图1:有机-无机簇化策略用于实时湿度监测。 a) 基于无机金属氧化物、有机聚合物、无机-有机杂化金属有机框架和簇分子的湿度传感器检测机制示意图。三阶段水吸附导致阻抗下降:i) 化学吸附;ii) 物理吸附;iii) 质子传导。 b) 三种碘化铜簇的分子结构,分别具有立方和冠状构型、不同的有机-无机比例和铜-碘配位数。 c) 使用簇作为活性层的旋涂器件加工过程。插图为基于PhQPCu₃I₃器件的扫描电子显微镜图像。 d) 三种簇薄膜的原子力显微镜图像,显示其表面粗糙度。

在性能测试中,PhQPCu₃I₃传感器不仅实现了全湿度范围的有效响应,其灵敏度达到106,远超另外两种簇材料。更重要的是,其响应与恢复时间近乎相等,分别为0.54秒和0.45秒,综合反应时间低于1秒,是目前报道中最快的湿度传感器之一。此外,该传感器在循环测试和长期稳定性方面也表现出色,滞后误差仅为3.2%,显示出优异的动态平衡能力。


图2:簇基传感器的湿度检测性能。 a) 在11%–97%相对湿度范围内的动态阻抗响应曲线。 b) 响应/恢复时间与灵敏度比较。 c) 器件的重复性测试与滞后特性曲线。 d) 代表性湿度传感器的响应与恢复时间对比。 e) 传感器阻抗变化率与湿度的关系。 f) 不同湿度下的复杂阻抗谱,显示质子传导行为。

进一步通过密度泛函理论模拟和原位光谱分析,研究人员揭示了PhQPCu₃I₃与水分子的相互作用机制:两个碘原子同时参与形成H–I和HO–I键,实现了快速可逆的化学吸附与解吸。原位X射线光电子能谱还观测到在电场和湿度作用下碘分子的生成与消失,验证了水-碘键合的可逆性。这种“动态协同键合”机制是实现超快响应与恢复的关键。


图3:碘化铜簇的湿度传感机制。 a) 密度泛函理论模拟显示簇与水分子相互作用后的结构变化。 b) 含水前后簇的最高占据分子轨道和最低未占分子轨道的能级与分布对比。 c) PhQPCu₃I₃薄膜在97%湿度下的原位红外光谱。 d) 不同条件下的原位X射线光电子能谱信号。 e) PhQPCu₃I₃吸附水分子前后最高占据分子轨道轮廓变化及可逆吸附过程示意图。

在实际应用测试中,PhQPCu₃I₃传感器被集成于口罩内,成功监测了正常呼吸和急促呼吸下的湿度变化,并能准确区分呼气和吸气过程。此外,研究还展示了其作为非接触键盘输入设备的潜力,可在人体皮肤附近快速、准确地识别手指接近信号,实现高效信息输入。即使在较高环境湿度下,传感器仍保持高于35的信噪比,具备良好的环境适应性。


图4:基于簇湿度传感器的实时健康监测与非接触运动检测。 a) 集成于口罩内的柔性湿度传感器用于呼吸频率监测。 b) 在不同呼吸模式下的动态湿度检测曲线。 c) 使用PhQPCu₃I₃传感器构建的非接触打字键盘。 d) 键盘输入短语时的阻抗变化输出。 e) 非接触检测灵敏度与相对湿度的关系。

该研究不仅首次实现了响应与恢复时间均接近人类反应时间的湿度传感器,还通过“动态化学键合与断裂”机制为高性能传感材料的设计提供了新思路。簇材料在有机-无机杂化结构中的灵活可调性,使其在实时健康监测、智能人机交互等领域具有广阔的应用前景。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
看不懂,场均20+9突然被降为替补!库里缺席,勇士大胜31分!

看不懂,场均20+9突然被降为替补!库里缺席,勇士大胜31分!

Haviven聊球
2025-11-10 22:56:58
三位勇士以一身伤痕,为14亿人辟出法治生路

三位勇士以一身伤痕,为14亿人辟出法治生路

深度报
2025-11-07 22:56:16
青年早新闻|福建舰何时能形成实战能力?海军回应

青年早新闻|福建舰何时能形成实战能力?海军回应

中国青年报
2025-11-09 08:38:55
托蒂:我们那一代水平太高,很难再同时出现如此多的优秀球员

托蒂:我们那一代水平太高,很难再同时出现如此多的优秀球员

懂球帝
2025-11-10 22:33:08
FSD有望全面入华,L3延期到2026年,华为与特斯拉将有一战?

FSD有望全面入华,L3延期到2026年,华为与特斯拉将有一战?

路咖汽车
2025-11-08 17:09:34
记吃不记打:俄罗斯大幅加税,中国汽车出口骤降58%

记吃不记打:俄罗斯大幅加税,中国汽车出口骤降58%

山河路口
2025-11-10 20:04:38
东部第一!活塞险胜76人夺6连胜 坎宁安26+11马克西33+7

东部第一!活塞险胜76人夺6连胜 坎宁安26+11马克西33+7

醉卧浮生
2025-11-10 11:05:57
哇太漂亮了,俄罗斯顶级女神,五官绝美,完全符合东方的审美

哇太漂亮了,俄罗斯顶级女神,五官绝美,完全符合东方的审美

陈意小可爱
2025-10-11 15:05:05
高市早苗闯了大祸,日方意识到大事不妙,琉球怕是保不住

高市早苗闯了大祸,日方意识到大事不妙,琉球怕是保不住

石江月
2025-11-10 13:14:08
烟台宝马女司机是一名老师,孩子才几岁,立冬日准备陪娃吃饺子

烟台宝马女司机是一名老师,孩子才几岁,立冬日准备陪娃吃饺子

魔都姐姐杂谈
2025-11-10 15:01:21
再苦再难,也不用核弹?为何俄罗斯深陷俄乌冲突泥潭却不用核弹?

再苦再难,也不用核弹?为何俄罗斯深陷俄乌冲突泥潭却不用核弹?

静夜史君
2025-11-09 23:54:07
薄一波晚年反省,当年不该支持此人上台,他给国家带来大麻烦

薄一波晚年反省,当年不该支持此人上台,他给国家带来大麻烦

扬平说史
2025-11-06 20:22:42
人口警报拉响!经济第三省的山东,人口三年连减90万背后真相扎心

人口警报拉响!经济第三省的山东,人口三年连减90万背后真相扎心

墨印斋
2025-11-10 18:06:45
京东抢跑!今晚8点买最便宜,2025年iPhone17最后一波最低价!

京东抢跑!今晚8点买最便宜,2025年iPhone17最后一波最低价!

太和在线
2025-11-10 18:59:33
50万架军机对付中国!南海若交战,结局只有6字,美防长突然下令

50万架军机对付中国!南海若交战,结局只有6字,美防长突然下令

影孖看世界
2025-11-10 19:16:09
敢为人先!上海鼓励事业单位人员创业,全职兼职都行,亏钱可回岗

敢为人先!上海鼓励事业单位人员创业,全职兼职都行,亏钱可回岗

火山诗话
2025-11-09 10:01:43
80岁杨得志参加老红军聚会,得知老师长要来,他:我亲自到门口接

80岁杨得志参加老红军聚会,得知老师长要来,他:我亲自到门口接

历史龙元阁
2025-11-09 21:25:04
全运会开幕式把奥运会的排面踩碎了,国际奥委会主席要点赞了!

全运会开幕式把奥运会的排面踩碎了,国际奥委会主席要点赞了!

李博世财经
2025-11-10 15:55:44
长沙不雅视频后续!女医生同款睡裙超22万人购买,幕后偷拍者曝光

长沙不雅视频后续!女医生同款睡裙超22万人购买,幕后偷拍者曝光

壹月情感
2025-11-09 18:01:35
福建舰设计师团队:以80后年轻人为主!

福建舰设计师团队:以80后年轻人为主!

政知新媒体
2025-11-09 11:25:34
2025-11-10 23:19:00
高分子科学前沿 incentive-icons
高分子科学前沿
高分子领域第一自媒体
15112文章数 66809关注度
往期回顾 全部

科技要闻

荷兰“玩脱”后,大众本田终于拿到芯片了

头条要闻

25岁东北女孩参加海岛求生赛35天瘦28斤:吃了50只老鼠

头条要闻

25岁东北女孩参加海岛求生赛35天瘦28斤:吃了50只老鼠

体育要闻

战绩崩盘!东契奇交易余震撕裂独行侠

娱乐要闻

51岁周迅的现状 给中年女性提了个醒?

财经要闻

北大医药董事长被抓 巨额资金去向不明

汽车要闻

智能又务实 奇瑞瑞虎9X不只有性价比

态度原创

本地
房产
时尚
教育
公开课

本地新闻

这届干饭人,已经把博物馆吃成了食堂

房产要闻

封关倒计时!三亚主城 2.3 万 /㎡+ 即买即住,手慢无!

日本大妈的穿搭技巧太绝了!照着学,随便穿也能显年轻10岁

教育要闻

收藏:山东高三综评(山东教育云平台)开始填写!获得高赋分,保姆级教程!

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版