理化所在雙相凝膠離電器件實(shí)現(xiàn)多元離子信號(hào)傳輸領(lǐng)域取得進(jìn)展

中國(guó)青年科學(xué)家組成的學(xué)科交叉團(tuán)隊(duì)，發(fā)展了一種具有級(jí)聯(lián)異質(zhì)界面的雙相凝膠離電器件，實(shí)現(xiàn)了從電子到多種離子信號(hào)的轉(zhuǎn)換和傳輸。11月2日，相關(guān)研究成果以cascade-heterogated biphasic gel iontronics for electronic-to-multi-ionic signal transmission為題，在線發(fā)表在《科學(xué)》(science)上。

在生物-非生物系統(tǒng)中，尤其在神經(jīng)電極、神經(jīng)假體、智能可植入設(shè)備等領(lǐng)域，電子器件和離電器件具有重要作用。然而，相較于生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，目前的電子和離電器件普遍存在一個(gè)局限，即它們僅具有單一電子或離子信息載體，難以容納更多生物相容信息。因此，在離電器件中，如何實(shí)現(xiàn)多種生物離子信號(hào)的有效可控傳輸，以關(guān)聯(lián)復(fù)雜生物系統(tǒng)，一直是相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)難題。

在生物系統(tǒng)中，復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有高度極化的突觸門控界面，負(fù)責(zé)處理和傳輸復(fù)雜的生物信號(hào)。受到這種神經(jīng)界面門控結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所/中國(guó)科學(xué)院大學(xué)江雷院士團(tuán)隊(duì)教授聞利平和副教授趙紫光，共同開發(fā)了一種級(jí)聯(lián)異質(zhì)門控的雙相凝膠離子電子器件(cascade-heterogated biphasic-gel iontronics，hbg)，能夠?qū)崿F(xiàn)從電子到多種離子信號(hào)的轉(zhuǎn)換和傳輸(如圖)。

研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了具有離子富集相和連續(xù)低電導(dǎo)相的雙相凝膠材料。與傳統(tǒng)水凝膠離子電子器件不同，離子在異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中需通過跨相傳輸。而在這一過程中，離子經(jīng)歷部分去水合和再水合過程。由于不同離子的本征特性，它們的水合-去水合能存在差異。研究表明，當(dāng)異質(zhì)門控?cái)?shù)量達(dá)到一定值時(shí)，離子將呈現(xiàn)由界面遷移能壘主導(dǎo)的傳輸行為。換言之，級(jí)聯(lián)異質(zhì)門控界面能夠從根本上放大不同離子之間跨界面?zhèn)鬏數(shù)牟町悾共煌x子信號(hào)的傳輸產(chǎn)生數(shù)量級(jí)的區(qū)別。更重要的是，級(jí)聯(lián)異質(zhì)門控界面可根據(jù)遷移能壘進(jìn)行離子傳輸分級(jí)，實(shí)現(xiàn)多離子分級(jí)和跨級(jí)傳輸。此外，該研究還利用源自hbg基的離子突觸的神經(jīng)體液離子信號(hào)，調(diào)節(jié)了牛蛙心臟的心電活動(dòng)。這一離子電子器件有望加速各種生物技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展。

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和科學(xué)技術(shù)部的支持。清華大學(xué)和首都醫(yī)科大學(xué)的科研人員參與研究。