納米材料充當分子溫度計

KAUST研究人員開發的分層材料可以利用生物離子通道中使用的相同原理，充當精確的溫度傳感器。人類細胞擁有各種蛋白質，可作為帶電離子的通道。在皮膚中，某些離子通道依靠熱量來驅動產生電子信號的離子流，我們用這些信號來感應周圍環境的溫度。

受這些生物傳感器的啟發，KAUST研究人員制備了一種稱為MXene的碳化鈦化合物(Ti 3 C 2 T x)，其中包含多層，厚度僅為幾個原子。每層都覆蓋有帶負電的原子，例如氧或氟。KAUST博士后Seunghyun Hong說：“這些基團充當間隔物，使相鄰的納米片保持分開，使水分子進入平面間通道。” MXene層之間的通道比單個納米窄。

研究人員使用了X射線衍射和掃描電子顯微鏡等技術來研究其MXene，他們發現向該材料中添加水會稍微加寬層之間的通道。當物料接觸氯化鉀溶液時，這些通道足夠大，可以使正鉀離子穿過MXene，但會阻止負氯離子通過。

MXene納米通道兩端之間的溫差導致水和鉀離子從冷側流向熱側(頂部)。當太陽光僅加熱MXene設備的一部分時，熱滲透流會產生一個電壓，該電壓可以指示出微小的溫度變化(底部)。圖片來源：ACS Nano;Alshareef，HN等。

該團隊創建了一個包含MXene的小型設備，并將其一端暴露在陽光下。MXene在吸收陽光并將該能量轉化為熱量方面特別有效。產生的溫度升高促使水分子和鉀離子從較冷的一端流向較暖的部分，穿過納米通道，這種現象稱為熱滲透流。這引起的電壓變化可與生物溫度感應離子通道中看到的電壓變化相比。結果，該設備可以可靠地感測小于一攝氏度的溫度變化。

降低氯化鉀溶液的鹽度可改善設備的性能，部分是通過進一步提高通道對鉀離子的選擇性來實現的。

隨著研究人員增加照射在材料上的光的強度，其溫度以與離子傳輸響應相同的速度上升。這表明除了用作溫度傳感器外，該材料還可用于測量光強度。

這項工作是KAUST教授Husam Alshareef和Peng Wang之間的合作的結果。“我們認為MXene陽離子通道有望在許多潛在應用中使用，包括溫度感應，光電檢測或光熱電能量收集，”與團隊共同領導的Alshareef說。