实验室团队研发：神经元启发的 CsPbBr3/PDMS 纳米球，打造多维传感和交互式显示新技术

        钙钛矿量子点凭借其对环境的多重敏感性和优异的发光特性，展现出成为具有可视化和交互功能的多维感知材料的潜力。然而，尽管其在理论应用中具有广泛前景，如何有效整合多功能特性并实现全面的多维传感能力，尤其是通过单一材料的实现，仍处于初步探索阶段，面临诸多技术挑战。 
        近日，闽都创新实验室/福州大学物理与信息工程学院的郭太良/严群课题组陈恩果教授团队从神经元结构中汲取灵感，设计了一种新型多功能CsPbBr3/PDMS纳米球，可以同时感知湿度、温度和压力，并具有独特的交互响应。钙钛矿核壳复合材料的这一突破性设计思路为推进人机交互和人工智能技术带来了重大希望。 
        这项研究成果发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》期刊上，论文题为“Neuron-inspired CsPbBr3/PDMS Nanospheres for Multi-dimensional Sensing and Interactive Displays”。陈恩果教授为该工作的通讯作者，博士生蔡俊虎为该工作的第一作者。

        研究背景： 
        随着机器人、仿生学以及其他先进人工智能技术的飞速发展，对具有多功能感知能力的类皮肤智能传感设备的需求日益增长。这些设备不仅需具备模拟或超越人类感官的能力，还需能够适应不断变化的外部环境，从而为智能系统提供更为精准的信息反馈。与此同时，增强感知刺激的可视化和交互性变得尤为重要，这将直接提升智能传感设备的可用性与实用性。为此，开发具备交互功能的多维感知功能的传感材料至关重要。 
        钙钛矿量子点因其在多重环境因素下表现出的高度敏感性及独特的发光特性，成为实现多维传感能力的理想材料。钙钛矿量子点能够有效响应湿度或温度等多种外界刺激，并将其转换为可视化的信号，使得其在智能传感器和互动设备中展现出巨大的应用潜力。然而，尽管钙钛矿量子点在理论上具备多功能整合的优势，其在实际应用中的多维传感能力的实现仍面临诸多挑战。这些挑战主要体现在如何在同一材料中高效地整合不同的感知功能，并保证其稳定性、可重复性以及与实际环境的适配性，仍处于探索阶段。 
        研究内容： 
        CsPbBr3/PDMS纳米球的设计灵感来源于神经元结构。CsPbBr3/PDMS纳米球由CsPbBr3核和PDMS壳组成，外部刺激通过PDMS的聚合物交联网络传递到CsPbBr3核。PDMS外壳的功能类似于树突，其灵活可调的孔隙密度在维持核心材料的可逆活性和传递外部刺激方面起着关键作用，也具有对刺激进行加权分析的功能。CsPbBr3/PDMS纳米球能够通过光电信号的变化将刺激可视化，从而实现交互式响应。 
        进一步，为了实现对广泛刺激范围的有效响应，通过巧妙调控PDMS聚合温度，作者开发了一系列具有梯度交联密度的CsPbBr3/PDMS纳米球。不同交联密度的PDMS涂层对CsPbBr3的钝化和保护效果有所差异，对刺激传导和权重分析也大不相同。其中，65℃温度下聚合的纳米球具有最高的交联密度，此类纳米球仅在高刺激水平下产生响应，而在低刺激条件下则不足以诱发响应。相反，CsPbBr3/PDMS@45℃和CsPbBr3/PDMS@25℃纳米球在较低甚至更低的刺激条件下表现出可逆响应，较低的交联密度使其对外部刺激更为敏感。这三类纳米球能够协同感知不同强度的刺激变化，类似于树突通过加权传递信号的方式，精准地对外部宽范围环境刺激作出响应。

        然而，对刺激的特异性可逆反应是实现精准感知的核心基础。在实现对材料的定制化设计后，作者深入探讨了不同壳层纳米球对外部刺激所表现出的特异性响应及其背后的可逆机制。其中，湿度响应主要受晶格降解与再结晶过程的影响，伴随可逆的表面缺陷水平。温度的敏感性与可逆性则与系统内的晶格相变，畸变及能量波动密切相关。压力响应则源自于PDMS壳体的规则可逆形变以及CsPbBr3核心材料在壳体中的均匀分布。

        综上，CsPbBr3/PDMS纳米球的高灵敏度与可逆响应为多维传感和交互作用领域提供了新的视角。这些纳米球在不同外界刺激下表现出独特的响应规律，突出其在感知中的特异性和适应性。凭借其多功能特性，CsPbBr3/PDMS纳米球具有成为智能传感器或交互式设备基础材料的巨大潜力。

        总结与展望： 
        在本研究中，作者受神经元结构与功能的启发，提出了一种创新的多功能CsPbBr3/PDMS纳米球材料，该材料能够精准检测并响应湿度、温度与压力的变化。借鉴神经元在多重刺激下的感知与信号传递机制，该设计展现出卓越的多维感知能力，为智能传感技术的进一步发展提供了新的思路，并为环境监测与人机交互领域的创新应用开辟了广阔的前景。展望未来，系统集成的进一步优化将是提升该材料实际应用性能的关键方向。 
        文章链接：https://www.nature.com/articles/s41377-025-01742-z

（陈恩果研发团队 供稿）