超高灵敏度压力传感在医学检测、电子皮肤、机器人皮肤、交互式输入/控制设备、数据收集等领域具有重要应用。但迄今为止的压阻式高灵敏压力传感器主要采用渗流效应或接触电阻模型作为转导机制，而基于这两种机制的压力传感器存在着灵敏度不够高或难以制备以及难以推广应用等问题。
为此，复旦大学材料科学系武利民团队将一种空心带刺纳米结构碳球（UHCS，图1a,b）与聚甲基硅氧烷弹性体（PDMS）进行复合，结合理论计算，发现该材料体系在极低浓度导电载体（≤1.5 wt%的碳球）下，受微小外力作用，即通过F-N隧穿效应，产生大的电流密度，从而实现了对外界压力的高灵敏度响应。相关成果于7月15日，以Quantum effect-based pressure sensor achieving ultrahigh sensitivity and sensing density为题在线发表在《自然通讯》（Nature communications）上 (Nature Communications, 2020, 11, 3529, https://www.nature.com/articles/s41467-020-17298-y)。
武利民教授团队所发展出的超高灵敏度传感薄膜材料，厚度仅为20mm，最高灵敏度达260.3 kPa-1，拥有着1至10000Pa压强范围的传感能力，且薄膜无色透明，可通过旋涂方法大面积应用于各种形状的表面（图1c）。最小检测面积可小至31.7 mm2，约为头发丝横截面积的1/200，因此在高密度、大面积阵列传感方面有着重要应用前景。该传感薄膜之所以拥有如此优异的性能，与其新颖的转导机制密不可分。他们通过考察量子尺度下诸多类型的材料体系电学特征并结合课题组的功能微球设计、合成技术，利用统计学放大方法，成功地将只发生在低纳米尺度的F-N隧穿效应扩展至微米尺度，通过信号采集，实现了整个体系的高性能力学传感。得益于这种新的转导机制和空心微球的应用，该体系压力传感材料在实现高灵敏度传感和透明性的同时还实现了高的温度稳定性、高密度阵列、强的抗串扰能力等（图1d,e）。
武利民课题组的博士生石澜，材料科学系青年研究员李卓为该论文的共同第一作者，武利民教授为该论文的通讯作者，材料科学系陈敏教授、信息科学与工程学院秦亚杰副教授及博士生江逸舟等多次参与讨论。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委和复旦大学聚合物分子工程国家重点实验室等的共同资助。该研究已申请中国和国际PCT专利各一项。
图1. a. 传感材料中所应用的功能微球扫描透射显微图像；b. 功能微球的透射电子显微图像；c. 红线圈中部分所示为制备的透明传感薄膜材料；d. 设置于人指尖的单点微型压力传感器，可轻松识别一片脱脂棉掉落指尖的动态压力过程；e. 高密度阵列演示中同时检测具有不同重量的两个微小物体（分子筛和小磁子）。
