纳米材料充当分子温度计

KAUST研究人员开发的分层材料可以利用生物离子通道中使用的相同原理，充当精确的温度传感器。人类细胞拥有各种蛋白质，可作为带电离子的通道。在皮肤中，某些离子通道依靠热量来驱动产生电子信号的离子流，我们用这些信号来感应周围环境的温度。

受这些生物传感器的启发，KAUST研究人员制备了一种称为MXene的碳化钛化合物(Ti 3 C 2 T x)，其中包含多层，厚度仅为几个原子。每层都覆盖有带负电的原子，例如氧或氟。KAUST博士后Seunghyun Hong说：“这些基团充当间隔物，使相邻的纳米片保持分开，使水分子进入平面间通道。” MXene层之间的通道比单个纳米窄。

研究人员使用了X射线衍射和扫描电子显微镜等技术来研究其MXene，他们发现向该材料中添加水会稍微加宽层之间的通道。当物料接触氯化钾溶液时，这些通道足够大，可以使正钾离子穿过MXene，但会阻止负氯离子通过。

MXene纳米通道两端之间的温差导致水和钾离子从冷侧流向热侧(顶部)。当太阳光仅加热MXene设备的一部分时，热渗透流会产生一个电压，该电压可以指示出微小的温度变化(底部)。图片来源：ACS Nano;Alshareef，HN等。

该团队创建了一个包含MXene的小型设备，并将其一端暴露在阳光下。MXene在吸收阳光并将该能量转化为热量方面特别有效。产生的温度升高促使水分子和钾离子从较冷的一端流向较暖的部分，穿过纳米通道，这种现象称为热渗透流。这引起的电压变化可与生物温度感应离子通道中看到的电压变化相比。结果，该设备可以可靠地感测小于一摄氏度的温度变化。

降低氯化钾溶液的盐度可改善设备的性能，部分是通过进一步提高通道对钾离子的选择性来实现的。

随着研究人员增加照射在材料上的光的强度，其温度以与离子传输响应相同的速度上升。这表明除了用作温度传感器外，该材料还可用于测量光强度。

这项工作是KAUST教授Husam Alshareef和Peng Wang之间的合作的结果。“我们认为MXene阳离子通道有望在许多潜在应用中使用，包括温度感应，光电检测或光热电能量收集，”与团队共同领导的Alshareef说。