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人工電子電路主要基于電子和空穴進(jìn)行信號(hào)傳輸和運(yùn)算，而自然界中生命體內(nèi)的信息傳遞和能量轉(zhuǎn)換則主要依賴于復(fù)雜的離子體系。以人體為例，生物系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)多種離子，如鉀、鈉、鈣和氯離子等，實(shí)現(xiàn)各種紛繁復(fù)雜的生理功能。形象地來說，各種離子就像一顆顆小球，在受到刺激信號(hào)（如電信號(hào)等）時(shí)，按需向目的地前進(jìn)。

近年來，將離子和電子的電荷轉(zhuǎn)移與信號(hào)轉(zhuǎn)換結(jié)合的離電器件引起了廣泛關(guān)注和研究。這些器件被譽(yù)為生物和非生物系統(tǒng)之間的橋梁，在神經(jīng)電極、神經(jīng)假體、智能可植入設(shè)備等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。然而，現(xiàn)有的離電器件仍受限于信號(hào)載體的單一性，無法攜帶更多生物兼容的信息。究其原因，主要在于現(xiàn)有器件的構(gòu)建大多基于傳統(tǒng)的門控/非門控材料，無法同時(shí)對(duì)多種離子“小球”進(jìn)行排序，從而限制了它們?cè)谄ヅ渖锝M織中的特征信號(hào)表達(dá)。

近日，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，聯(lián)合清華大學(xué)以及首都醫(yī)科大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)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，相關(guān)研究成果在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表。

該研究強(qiáng)調(diào)了門控機(jī)制在實(shí)現(xiàn)多元離子信號(hào)傳輸中的重要性。在電場(chǎng)的作用下，離子部分去水合和再水合的過程將交替而連續(xù)地進(jìn)行。由于不對(duì)稱化學(xué)結(jié)構(gòu)和空間尺寸的影響，異質(zhì)界面將扮演多重“門”的作用，迫使“小球”脫掉由水分子組成的“外套”，而它們脫掉“外套”的難易程度是不一樣的。雙相多界面結(jié)構(gòu)引發(fā)的級(jí)聯(lián)異質(zhì)門控效應(yīng)，將決定不同離子傳輸?shù)哪軌?，使不同價(jià)態(tài)陽離子之間的跨界面?zhèn)鬏敵尸F(xiàn)巨大的差異。因此，在不同電壓刺激下，HBG材料能夠?qū)﹄x子傳輸能壘進(jìn)行排序和控制，讓“小球有序奔跑”，實(shí)現(xiàn)從電子到多元離子的分級(jí)傳輸。

級(jí)聯(lián)異質(zhì)門控雙相凝膠材料

這項(xiàng)研究制備了具有級(jí)聯(lián)異質(zhì)門控的離電材料，揭示了級(jí)聯(lián)異質(zhì)門控效應(yīng)對(duì)離子傳輸?shù)闹匾绊?，?shí)現(xiàn)了多元離子的分級(jí)傳輸和離子選擇性的跨級(jí)傳輸，并展示了這一技術(shù)在離電信號(hào)轉(zhuǎn)換和生物離子神經(jīng)調(diào)節(jié)方面的潛在應(yīng)用。這種級(jí)聯(lián)異質(zhì)門控設(shè)計(jì)有望在神經(jīng)擬態(tài)信號(hào)傳輸方面發(fā)揮重要作用，為實(shí)現(xiàn)生物-非生物系統(tǒng)的多元復(fù)雜信號(hào)通信提供新的思路和方法。

（總臺(tái)央視記者 帥俊全 褚爾嘉）