中国科学技术大学纳米技术与纳米仿生学院（苏州纳米所）张珽团队再发文章“Ion transport-triggered rapid flexible hydrovoltaic sensing”，该文章成功发表于国际综合性顶级期刊《Nature Communications》（2024年影响因子为14.7。中科院分区：综合类1区TOP）

01 研究背景

水伏效应（Hydrovoltaic Effect）是指雨滴、水波动、水蒸发等不同形态的水与纳米结构材料相互作用时，将蕴含的能量直接转化为电能的现象，这一发现拓展了传统动电效应理论

近年来，水伏效应因其在能量收集与传感应用中的独特优势而受到广泛关注。传统水伏器件由于固-液界面存在较大的扩散阻力，水和离子需要数分钟甚至数十分钟才能达到扩散平衡，这严重限制了其在快速离子检测中的应用。

本研究通过构建水平放置的包含有序功能化尼龙-66纳米纤维膜（NNFs）的柔性水伏器件，有效降低了无序纳米通道和重力引起的溶液流动阻力。同时，利用湿润纳米通道内液-液传输区域的低阻剪切流动，实现了高达2.86 cm s-1的流动速率，加速通道内离子迁移。

得益于该快速离子传输-累积机制，研究团队仅用3 μL水滴便可在0.17 s内产生超过4.0 V开路电压（Voc）的突破性结果，其响应速度比已有报道快约两个数量级。高速静电纺丝技术在构建有序纳米通道起到了核心作用。

02 期刊信息

《Nature Communications》为国际综合性顶级期刊 ，发表来自整个生物学、化学、物理、材料、地球与环境科学、医学及工程学等领域的研究，为各种自然科学研究提供发表的平台，是自然出版集团出版的第二份多学科周刊，《自然》杂志旗下的子刊之一。

论文原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-63549-1

03 主要创新点

（1）通过高速静电纺丝获得的NNF（尼龙-66纳米纤维膜）经CPS（羧基化聚苯乙烯）浸涂及氧等离子体处理后（图1），表面羧基含量显著提升，Zeta电位增强至约-50 mV，XPS和FTIR表征进一步证明了C=O和-OH等含氧官能团的增加，显著增强了界面结合力和表面极性。

图1 有序水伏器件的组成，结构，以及制备方法

光学与热成像结果表明，有序取向的O-CPS@NNF薄膜（图2）具备更低的流动阻力和更快的液滴扩散速度，其水平放置时的水输运速率与扩散距离均优于无序薄膜和垂直放置条件。该结果说明，有序纤维取向与表面官能团修饰共同作用，有效促进了液滴扩散与离子输运，为实现高效稳定的水伏输出奠定了基础。

图2 有序尼龙纳米纤维膜修饰前（左），后（右）电镜照片

（2）器件通过在柔性基底上负载碳电极组装而成，滴加3 μL去离子水即可在0.17 s内产生超过4.0 V的快速电压信号，并经历由峰值（Stage I）、平台期（Stage II）到衰减（Stage III）的典型过程。

液滴在半干燥通道中的扩散行为通过光学与荧光成像得到验证，结果表明前一个循环残留的水分在纳米通道内形成液-液传输区，显著降低界面摩擦和流动阻力，使液滴表现出更快的扩散速率。这些结果揭示了液-液传输区与快速定向离子迁移协同作用对实现快速响应的关键机制（图3）。

图3 液液界面低阻滑移及液压推动快速传感机制

04 作者介绍

本文第一作者：葛长磊（博士研究生），通讯作者：张珽 研究员

张珽为中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员，博士生导师，国家自然科学基金杰出青年基金获得者。

致力于纳米智能材料、柔性电子、仿生智能传感技术、脑机接口、可穿戴智能系统领域的研究，在此基础上探索其在医疗健康、人工智能、人机融合、能源与环境等相关战略领域的创新应用。成功研制了达到实用水平的多量程、高性能仿生柔性微纳传感器，在业界得到广泛应用。承担了国家自然科学基金重大研究计划、科技部重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项（A类）、中国科学院装备研制重点项目及企业横向项目等30余项科研项目。

05 文中所用设备

文中所用设备为云帆YFSP-T型静电纺丝机