基于机械-电学双特性固液界面传感的高精度液体识别新策略

为解决传统液体识别技术设备庞大、操作复杂的问题，苏州大学功能纳米与软物质研究院的研究人员开发了一种基于液滴非胡克力学特性与固液界面接触起电耦合的ZnO-PDMS超疏水传感器（SL-TS）。该传感器通过机械-电学双模式信号实现了281 mV/Pa的超高压敏灵敏度，可检测5 nM金属离子和0.1%酒精浓度，结合GRU模型对10种液体的识别准确率达99%，为便携式液体监测开辟了新途径。

　　

在环境监测、医疗诊断和食品安全等领域，液体成分的快速精准识别一直是技术瓶颈。传统方法如色谱分析、核磁共振等虽精度高，但依赖大型设备且操作复杂；而便携式传感器又往往受限于检测范围窄或环境干扰大。如何实现高灵敏度、广谱性且便携的液体识别，成为亟待突破的科学难题。

苏州大学功能纳米与软物质研究院的Lingjie Xie、Bohan Lu等研究人员受荷叶超疏水结构启发，创新性地将液滴的非胡克力学特性与固液界面接触起电效应耦合，开发出机械-电学双特性传感器（SL-TS）。这项突破性研究发表在《Nature Communications》上，通过微纳结构界面工程和智能算法融合，实现了液体识别的“一石三鸟”——超高灵敏度、广谱适用性和便携化。

研究团队主要采用四项关键技术：1）通过盐酸蚀刻和水热法构建ZnO-PDMS微纳超疏水界面；2）建立液滴压缩的机械-电学耦合模型，量化接触角（CA）与接触面积的关系；3）设计双层堆叠器件分离机械压力与接触起电信号；4）集成门控循环单元（GRU）神经网络处理双通道时序数据。

机械-电学耦合机制

通过COMSOL模拟和理论建模发现，当接触角从100°增至150°时，液滴受压接触面积变化率提升3倍（图2E-G）。结合界面双电层电容（C_E,1/C_E,2）效应，推导出开路电压（V_oc）与压缩力（F_c）的反比关系（公式2），为281 mV/Pa的超高灵敏度奠定理论基础（图3B）。

界面增强设计

采用Zn(NO₃)₂:HMTA=1:1的前驱体比例制备的ZnO-PDMS界面，接触角达151.9°（图2D）。XRD和FTIR表征证实PDMS成功修饰在ZnO纳米结构表面（图2B-C），其多孔形貌使液滴在2 kPa压力下仍保持Cassie-Baxter状态（图2A）。

多场景检测性能

对于Pb²⁺溶液，灵敏度随浓度（1-100 nmol/L）升高从275 mV/Pa降至107 mV/Pa（图4C）；而Na⁺溶液在1 μmol/L时灵敏度达510 mV/Pa（图4D）。酒精检测分辨率达0.1%，饱和电压与浓度呈正相关（图4E）。通过650-2050 μm分级压缩位移，可区分自来水、气泡水等复杂液体（图4F-J）。

智能识别系统

双层器件中，上层检测目标液体，下层固定DI水作为压力参照（图5A）。GRU模型对双通道信号的处理使识别准确率从单模式的85%提升至99%（图5D-E），显著优于现有摩擦电传感器（补充表S1）。

该研究通过“力学指纹+电学特征”的双因子识别策略，突破了传统液体检测技术的局限。其重要意义在于：1）首次将液滴非胡克力学引入接触起电传感，灵敏度较同类提升30倍；2）建立通用型检测平台，涵盖离子、有机物及复杂溶液；3）为可穿戴健康监测（如指尖脉搏检测，图1A）和现场快速分析提供了新范式。这种仿生界面设计与人工智能的融合，为下一代智能传感系统的发展指明了方向。