转发自 碳谷 2025年11月8日   

    热现象能为物理和化学过程提供关键线索，影响生物体与周围环境的相互作用。生物系统通过感知皮肤表面的细微热交换，获取丰富的环境信息——从阳光的温暖、微风的清凉到金属的冷触感。

    在人工器件中复刻这种精细的热感知能力，对于弥合机器与生物体之间的传感鸿沟至关重要，有望推动生物混合系统和人机协作领域的突破性进展。

    实现这一愿景的核心，是开发出灵敏度达到毫开尔文级、与生物热感受器相当的集成柔性人工热感受器。

生物热感受器依赖热激活的瞬时受体电位离子通道实现稳健的热响应，而高灵敏度人工传感器通常利用半导体（如陶瓷氧化物）中热激发的电子。二者传输介质中的载流子种类和机械模量存在显著差异，这为开发人工热感受器和实现无缝人机融合带来了巨大挑战。

    尽管低维半导体、共轭聚合物和导电填料渗透型聚合物复合材料等柔性电子替代方案已相继出现，但它们依赖π电子传导或界面电子传输，往往导致温度响应减弱，或工作温度范围局限在5℃左右。

离子电子学——研究柔性电子系统中离子行为的学科——有望弥合生物与机械系统之间载流子的根本性差距，为生物混合技术提供变革性平台。

    然而，由于离子材料缺乏本征能带，且人工复刻离子通道门控机制难度较大，要实现半导体或离子通道那样稳健的热激活载流子动力学仍具挑战。当前的离子电子器件主要依赖非法拉第界面效应或化学相互作用来调控载流子动力学。

通过这些方式，基于假交联嵌段共聚物、深共熔凝胶、离子-电子结或大环化合物修饰纳米通道的最先进离子电子温度传感器，已通过特定化学基团引入温度依赖性离子传输屏障，灵敏度接近8毫开尔文。但对专用官能团的依赖限制了设计灵活性，也增加了多功能集成的复杂性，凸显了对更具预测性、通用性框架的需求。

    受固态模型启发，吉林大学电子科学与工程学院张彤团队提出了一种概念转变：从化学门控转向结构可编程离子传输，通过设计异质聚合物电解质（hete-PE）中的能量景观（图1A），构建类半导体传导原理的框架。

    在团队的方案中，聚电解质亚微米球（PEMSs）内密集的固定阴离子簇形成静电势能阱，热熵驱动移动阳离子克服库仑力扩散。这种排列形成了局部介观结构——每个带负电核心周围的阳离子云，其中阳离子自发占据连续的静电势能态，类似平滑变化的“能级”。相邻核心之间的重叠场定义了依赖于其间距的离子传输屏障。

    因此，离子传导通过外层云区中高能阳离子的场驱动跳跃实现。随着温度升高使这些阳离子进入更高能态，有效载流子浓度激增，实现超高热响应性——类似于半导体中热激活的电子。同时，热熵主导整体阳离子分布，核心间距离精确调控传输屏障。这种介观设计为载流子的优化热调制提供了可配置的能量景观。

    基于这种能量景观工程化的离子电子材料，吉林大学电子科学与工程学院张彤团队的赵红然等发出一种人工热感受器，能检测低至8毫开尔文的温度变化，灵敏度可达约1.2毫开尔文。将该传感器集成到仿生框架中，得到了一种热感知离子皮肤，可模拟生物皮肤的先进热传感功能。

    除测量绝对温度外，这种离子皮肤能在统一的温度感知范式下解读气流、湿度、热导率、蒸发冷却和太阳辐射——有望通过类人化解读细微热线索，为人工系统带来变革性提升。关键的是，团队的策略将传感性能与特定化学相互作用解耦，为高性能离子电子传感器提供了广泛适用的平台。

    张彤，“长白山”学者特聘教授，吉林大学“唐敖庆学者”卓越教授B岗，全国百篇优秀博士论文指导教师、宝钢优秀教师获得者，吉林省有突出贡献的中青年专业技术人才。中国仪器仪表学会传感器分会理事、中国仪器仪表行业协会传感器分会理事，中国电子学会传感与微系统技术学会气湿敏专业委员会秘书长。教育部教学指导委员会电子信息类专业教学指导委员会委员，吉林省高等学校电子信息类教学指导委员会副主任委员。主要开展面向工业生产安全、环境污染、人体健康以及家居环境等领域的气体、湿度、生物分子的传感检测，开展微纳米传感材料的设计和制备、传感器的结构设计以及应用开发。作为项目负责人，承担国家基金委重点／面上、科技部重点研发课题等，曾获吉林省自然科学一等奖１项、吉林省自然科学学术成果一等奖２项。获中国授权发明专利30多项，发表SCI检索论文370余篇，SCI他引2万多次，是十余种国际著名学术期刊的审稿人。出版教材2部，合作出版学术著作3部。