导语
在智能穿戴、实时健康监测与下一代人机交互的浪潮中，湿度传感器扮演着愈发关键的角色。然而，一个长期存在的技术瓶颈制约了其更精密的应用：如何让传感器在感知湿度的同时，其响应与恢复速度能跟上人体自身的瞬时反应？传统材料难以兼顾“快速吸附”与“快速脱附”这一对看似矛盾的需求，导致传感器响应迟缓，成为人机之间一道无形的“延迟墙”。
近日，一项发表于国际顶级化学期刊《德国应用化学》上的研究，成功攻克了这一难题。由黑龙江大学许辉教授、徐英明教授领衔的团队，首次开发出一种基于新型铜碘簇化物PhQPCu₃I₃的湿度传感器，取得了里程碑式的突破：其响应时间（t_res）与恢复时间（t_rec）分别达到0.54秒和0.45秒，综合反应时间首次被压缩至1秒以内（0.99秒），这与人类平均0.3-0.5秒的自然反应时间几乎同步，为真正的“实时”监测与应用奠定了基石。
（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
前沿科研成果
突破之源：“半暴露”分子结构与“动态协同键合”机制
这项技术源于其核心材料——PhQPCu₃I₃分子簇独特的微观结构设计。研究团队巧妙地通过一个三齿磷配体（PhQP）构建了一个半暴露的Cu₃I₃冠状结构。与先前已报道的、被配体完全包裹的立方状Cu₄I₄簇（如[TPP]₄Cu₄I₄和[DBFDP]₂Cu₄I₄）相比，这一结构带来了三大优势：
1. 低配位与高暴露：冠状结构中的碘原子配位程度更低，使其更多轨道暴露于环境中，为与水分子相互作用提供了更多可能。
2. 短距离与同取向：三个碘原子在空间上距离更近且取向一致，使得两个或多个碘原子能够协同与一个水分子发生作用。
3. 优化的亲疏水平衡：有机配体提供了疏水骨架，而暴露的无机铜碘核心则负责亲水相互作用，实现了理想的材料环境适应性。
理论计算（DFT）和原位红外光谱分析揭示了其超快传感的分子机制：在PhQPCu₃I₃中，一个水分子会同时与两个碘原子形成 “H–I 氢键”和“HO–I 配位键” 。这种 “动态协同键合” 模式，既增强了吸附的稳定性（提高灵敏度），又因原子间的竞争效应使得键长较长，在湿度下降时能被迅速可逆地打破，从而实现近乎完美的吸附-脱附动态平衡。相比之下，传统的Cu₄I₄簇通常只能形成单一的、强度不适中的水分子相互作用，导致响应与恢复难以兼顾。
卓越性能：全面超越现有技术的硬核数据
在严格的性能测试中，PhQPCu₃I₃传感器展现出一系列令人瞩目的数据，全面超越了现有各类材料：
1. 超快速度：0.54秒（响应）和0.45秒（恢复）的速度，比文中对比的另外两种铜碘簇快2-3倍，更是将传统金属氧化物（恢复时间常需数十秒）和金属有机框架（MOFs，恢复时间可达数分钟）远远甩在身后。
2. 超高灵敏度：在11%-97%的相对湿度范围内，其阻抗变化高达106倍，灵敏度是[TPP]₄Cu₄I₄传感器的两倍。
3. 极低滞后性：滞后误差（He）低至3.2%，这表明传感器在不同湿度循环中几乎不存在“记忆效应”，测量结果更加精准可靠。
4. 卓越稳定性：在长达50天的测试中和2000次的循环测试后，传感器性能未见任何衰减，证明了其强大的实用潜力。
未来已来：从实时健康监测到非接触式交互的广阔应用
凭借其与人反应时间同步的超快性能，该传感器在人体相关（HBR）湿度监测领域开辟了前所未有的应用场景：
1. 高精度实时呼吸监测：研究团队将柔性传感器集成到N95口罩内，成功实现了对成人静息呼吸（eupnea）和急促呼吸（tachypnea）的精准区分。在急促呼吸模式下，只有PhQPCu₃I₃传感器能保持高达74%的阻抗恢复率，而其他材料制成的传感器已降至约40%，这表明它甚至是监测呼吸频率更快的新生儿的理想工具。
2. 流畅的非接触式人机交互：团队演示了一套由该传感器作为按键的非接触式键盘。用户手指在距按键5毫米处快速掠过，即可被准确识别。在输入一串23个字符的短语时，即便连续出现相同字母，传感器也能凭借其低于1秒的恢复速度清晰、无误地完成输入，展现了其在未来无接触界面、虚拟现实操控等方面的巨大潜力。
3. 强大的环境适应性：研究表明，在人体舒适的40%-60% RH湿度环境下，其灵敏度与湿度呈反比但始终保持在10以上，即使在高达83% RH的湿度下，信噪比仍超过35，确保了在各种真实环境下的稳定工作。
论文信息
Dynamic Water Bonding on Clusters Enables Ultrafast Humidity Response and Recovery
Lei Qu, Dr. Chuanyu Guo, Xiaojun Zhang, Yuanxin Ma, Baoquan Yang, Dr. Jing Zhang, Dr. Chummiao Han, Nan Zhang, Ying Li, Dr. Yingming Xu, Dr. Chunbo Duan, Prof.Dr. Hui Xu
Angew. Chem. Int. Ed. 2025, DOI: 10.1002/anie.202519556
许辉教授课题组简介
黑龙江大学许辉教授领导的磷基光电功能材料团队主要围绕磷基光功能材料开展研究，已在电致发光主体材料、覆盖近紫外和近红外波段的全光谱发光材料、高性能长余辉材料、刺激响应材料、生物成像及原位诊疗材料等方向取得了一系列重要成果，获得广泛的学术反响。除具有良好的有机无机合成条件外，团队拥有三套光电器件制备和表征系统及一套时间分辨生物成像测试系统，其他结构及光电性质表征手段完备。依托科研优势，团队入选了首批黑龙江省优秀导学团队，在本科和研究生培养上形成了一贯式的创新性人才培养模式，培养了一大批动手能力强、创新意识突出、综合素质过硬的优秀毕业生。其中，荣获 “芙蓉学子 榜样力量”优秀大学生和学术创新个人奖各1次及团队奖2次，获得首届全国博士后创新创业大赛银奖、全国大学生化学实验创新设计大赛特等奖1次和一等奖3次以及挑战杯全国银奖和国际互联网+大学生创新创业大赛全国铜奖等重要奖项。培养的学生中1人入选教育部国家级青年人才计划、3人入选国家级海外青年人才计划、1人获得国家优秀青年基金资助，以及2人入选中国“博士后创新人才支持计划”（均为该年度黑龙江省化学学科唯一入选）等。
团队重点关注包括但不限于光电、能源、传感、生物等多个领域的应用。诚挚邀请有志于开展相关领域研究、具有相关研究经历的青年博士加盟团队，应聘副教授、讲师和博士后等职位；欢迎感兴趣的同学报考课题组硕士、博士研究生，具体事宜请email联系许辉教授[email protected].。
通讯作者简介
许辉，博士，二级教授、博士生导师，黑龙江大学副校长、化学化工与材料学院院长、功能无机材料化学教育部重点实验室常务副主任。本科和硕士毕业于哈尔滨工业大学高分子专业，博士毕业于复旦大学有机化学专业，分别在新加坡国立大学化学系和德国科隆大学物理化学系从事博士后和洪堡资深学者合作研究。获得国家杰出青年基金项目资助，入选教育部国家级青年人才计划、百千万人才工程国家级入选者，获得有突出贡献中青年专家称号。主要开展功能磷化学相关的基础和应用研究，特别是在芳香膦氧主客体材料及其超低压驱动全色电致发光器件和双发射电致发光材料构筑及其高效器件等方向的研究处于国际前沿水平。所开发的DPEPO已成为蓝光热激发延迟荧光器件的主流主体材料，在1600余篇SCI论文工作中被采用。近年来主持或主持完成国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目、面上项目等在内的国家和省部级30余项。成果在Nature、Nature Photonics、Science Advances、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie、Advanced Materials等化学材料学科国际顶级期刊上发表160余篇，获得授权的中国发明专利40余项，作为第一获奖人获省级科学技术奖自然科学类一等奖、2021年中国光学十大进展提名奖等。
徐英明，博士，教授、博士生导师，黑龙江大学化学化工与材料学院党委书记。本科硕士毕业于黑龙江大学无机化学专业，博士毕业于中科院长春应用化学研究所分析化学专业。现任中国分析测试协会青年学术委员会委员，黑龙江省化学会理事，CCL编委，Rare Metals青年编委。获得黑龙江省杰出青年基金项目资助。主要从事气湿敏传感材料合成及应用研究，特别是在多级结构敏感材料的可控组装和敏感机制探究等方面开展了大量前沿工作。近年来作为项目负责人主持国家基金面上、青年，省重点等项目20余项。成果在Angewandte Chemie, ACS Sensors, Biosensors. Bioelectronics, Sensors and Actuators B, J. Hazard. Mater., Small, Small Structure等杂志上发表学术论文120余篇，被SCI论文正面引用5600余次。已授权中国发明专利10余项，其中转让1项。出版专著2部，获黑龙江省科学技术奖二等奖1项。