【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國青年科學家組成的學科交叉團隊，發(fā)展了一種具有級聯(lián)異質(zhì)界面的雙相凝膠離電器件，實現(xiàn)了從電子到多種離子信號的轉(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》(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，目前的電子和離電器件普遍存在一個局限，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，如何實現(xiàn)多種生物離子信號的有效可控傳輸，以關(guān)聯(lián)復雜生物系統(tǒng)，一直是相關(guān)領(lǐng)域的科學難題。
 

　　在生物系統(tǒng)中，復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡具有高度極化的突觸門控界面，負責處理和傳輸復雜的生物信號。受到這種神經(jīng)界面門控結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，中國科學院理化技術(shù)研究所/中國科學院大學江雷院士團隊教授聞利平和副教授趙紫光，共同開發(fā)了一種級聯(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的轉(zhuǎn)換和傳輸(如圖)。
 

　　研究團隊構(gòu)建了具有離子富集相和連續(xù)低電導相的雙相凝膠材料。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，當異質(zhì)門控數(shù)量達到一定值時，離子將呈現(xiàn)由界面遷移能壘主導的傳輸行為。換言之，級聯(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子信號的傳輸產(chǎn)生數(shù)量級的區(qū)別。更重要的是，級聯(lián)異質(zhì)門控界面可根據(jù)遷移能壘進行離子傳輸分級，實現(xiàn)多離子分級和跨級傳輸。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，調(diào)節(jié)了牛蛙心臟的心電活動。這一離子電子器件有望加速各種生物技術(shù)應用的發(fā)展。
 

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

級聯(lián)異質(zhì)門控兩相凝膠離電材料的結(jié)構(gòu)和跨界面離子傳輸