本研究首次发现了一种本征的水流电控效应，即水流在范德华材料（如石墨烯、WSe₂、MoS₂）表面可诱导出显著的电学响应。与传统依赖离子迁移或表面官能团的电动效应不同，该效应源于水流分子在界面处的重排，打破了原有的电荷转移平衡，产生额外的p型掺杂效应。基于该效应，作者开发了水流门控晶体管（WGT），其电压响应灵敏度高达1.53×10⁴ V·m⁻¹·s，远高于现有的水流电子器件。WGT不仅能将水流速度低至600 nm/s的信号转换为电信号，还可用于构建逻辑电路，实现了水流信号与电信号之间的高效耦合。该研究为水电动力学提供了新机制，也为水电子学、类脑计算和生物传感等领域提供了新平台。

   1. 背景：电动效应在固液界面已有两个世纪的研究历史，传统机制主要依赖于水中离子的迁移或表面官能团的作用。然而，这些机制通常需要特定的表面化学结构或离子环境，限制了其在纯净系统或非极性表面上的适用性。近年来，随着二维材料的发展，研究者们开始关注其在界面电学效应中的应用潜力。二维材料具有原子级厚度、无悬挂键、范德华表面等特性，成为研究本征固液界面电学效应的理想平台。然而，水流在 pristine（无缺陷、无官能团）范德华表面上的本征电学效应尚未被系统研究。本文正是基于这一科学空白，探索了水流在二维材料表面诱导电学响应的机制，并开发出新型水流控电子器件。

图1. 范德华表面的本征水流电效应及水流栅晶体管

    2. 主要内容：本文系统研究了水流在石墨烯、WSe₂、MoS₂等二维材料表面所引发的本征电学效应。作者设计并制备了集成微流控通道的场效应晶体管（FET），通过调控水流速度，观察到源漏电流（IDS）发生显著变化。实验发现，当水流速度从0增加到41.1 μm/s时，石墨烯FET的IDS变化率（ΔIDS/I₀）最高可达16.7%，并表现出良好的可重复性和稳定性。转移特性曲线显示，随着水流速度增加，石墨烯的Dirac点（VDirac）向右移动，表明水流诱导了p型掺杂效应。类似现象也出现在WSe₂和MoS₂FET中，其阈值电压（Vth）分别正向移动了111 mV和58 mV。为揭示机制，作者采用分子动力学（MD）模拟和密度泛函理论（DFT）计算，发现水流使靠近材料表面的水分子密度增加，水分子取向趋于平行于表面，从而增强了电子从材料向水分子的转移，导致材料费米能级下降，表现出p型掺杂。该效应在不同二维材料上具有普遍性，说明其来源于水流分子与范德华表面之间的本征相互作用。基于上述发现，作者构建了水流门控晶体管（WGT），其电流可由水流速度调控，表现出优异的响应灵敏度和稳定性。WGT不仅能实现水流信号到电信号的高效转换，还可用于构建逻辑电路，如AND门。此外，WGT还表现出类突触可塑性，包括短时程增强（STP）和长时程增强（LTP），为构建类脑水电子芯片提供了可能。

图2. 本征水流电效应原理

    3. 结论：本研究首次揭示了水流在范德华表面上诱导的本征电学效应，提出并验证了一种不依赖离子或官能团的新型水流电控机制。基于该机制开发的水流门控晶体管（WGT）具有极高的灵敏度和稳定性，能够将水流速度低至600 nm/s的信号高效转换为电信号，并实现逻辑运算与突触可塑性模拟。该研究不仅拓展了水电动力学的理论基础，也为水电子学、类脑计算、生物传感及芯片实验室等领域提供了新的技术路径和应用平台。

    该论文复旦大学魏大程研究员和华东师范大学袁清红研究员为共同通讯作者，复旦大学康华博士、岳阳博士生和华东师范大学梁家毓博士为论文共同第一作者，复旦大学聚合物分子工程全国重点实验室、高分子科学系分别为论文第一、第二单位，研究得到国家自然科学基金、国家杰出青年科学基金、上海市优秀学术带头人等项目和聚合物分子工程全国重点实验室的支持。

论文信息：

Water-flow electric-gating effect on a van der Waals surface

Hua Kang#, Yang Yue#, JiaYu Liang#, Xuejun Wang, Dingding Jiang, Hangyan Chen, Yunqi Liu, Qinghong Yuan*, Dacheng Wei*

Science Advances, 2025, 11 (40), DOI: 10.1126/sciadv.adx5747

网址：www.science.org/doi/pdf/10.1126/sciadv.adx5747