中国最新开发出级联异质门控双相凝胶离电器件

这项重要科研成果是在中科院理化所蒋雷院士的指导下完成的，由中科院理化所温立平研究员与中科院院士共同完成。中国科学院大学赵紫光副教授、清华大学徐志平教授、首都医科大学刘惠荣教授。 相关论文近日发表在国际知名学术期刊《Science》上。

本研究研究的级联异质门控双相凝胶材料。中国科学院理化研究所供图

论文共同通讯作者文立平研究员表示，人工电子电路主要基于电子和空穴进行信号传输和计算，而自然界生物体内的信息传输和能量转换主要依靠复杂的离子系统。 以人体为例，生物系统通过协调多种离子，如钾、钠、钙、氯离子等来实现各种复杂的生理功能。 通俗地说，各种离子就像小球一样，在接收到刺激信号（如电信号等）时，根据需要向目的地移动。

近年来，将离子和电子的电荷转移与信号转换相结合的电离装置引起了广泛的关注和研究。 这些设备被称为生物和非生物系统之间的桥梁，用于神经电极、神经假体和智能植入物。 在进口设备等领域发挥着重要作用。 然而，现有的电离装置仍然受限于信号载体的单一性，无法承载更多的生物相容性信息。

主要原因是现有装置的构造大多基于传统的门控/非门控材料，无法同时分选多个离子“球”，从而限制了它们在匹配生物组织中的特征信号表达。 例如，基于水凝胶的电离装置很难实现不同离子信号的差异传输。 因此，如何让离子“球”按照规则“赛跑”，并将电子信号传输和处理到多元素离子上，仍然是一个巨大的挑战。

为了克服这一挑战，本研究强调了门控机制在实现多离子信号传输中的重要性。 在电场作用下，离子的部分脱水和复水过程会交替、连续地进行。 由于不对称化学结构和空间尺寸的影响，异质界面会起到多重“闸门”的作用，迫使“小球”脱掉水分子组成的“外衣”，这对它们来说是多么容易的事脱掉“外衣”也不一样。 双相多界面结构引起的级联异质门控效应将决定不同离子传输的能垒，导致不同价态阳离子之间跨界面传输的巨大差异。 在不同的电压刺激下，异质门控双相凝胶（HBG）材料可以对离子传输能垒进行排序和控制，从而让“小球有序运行”，实现多个离子的分层传输。

温立平表示，此次合作研究制备了级联异质门控的电离材料，揭示了级联异质门控效应对离子传输的重要影响，实现了多离子的分级传输和跨界离子选择性。 水平传输，并展示了该技术在离子电信号转换和生物离子神经调节方面的潜在应用。 这种级联异构门设计有望在神经形态信号传输中发挥重要作用，为生物-非生物系统中实现多种复杂信号通信提供新的思路和方法。 （超过）