我國科學家基于軟物質材料實現可控離子傳輸

來源：央視新聞客戶端

人工電子電路主要基于電子和空穴進行信號傳輸和運算，而自然界中生命體內的信息傳遞和能量轉換則主要依賴于復雜的離子體系。以人體為例，生物系統通過協調多種離子，如鉀、鈉、鈣和氯離子等，實現各種紛繁復雜的生理功能。形象地來說，各種離子就像一顆顆小球，在受到刺激信號（如電信號等）時，按需向目的地前進。

近年來，將離子和電子的電荷轉移與信號轉換結合的離電器件引起了廣泛關注和研究。這些器件被譽為生物和非生物系統之間的橋梁，在神經電極、神經假體、智能可植入設備等領域發揮著重要作用。然而，現有的離電器件仍受限于信號載體的單一性，無法攜帶更多生物兼容的信息。究其原因，主要在于現有器件的構建大多基于傳統的門控/非門控材料，無法同時對多種離子“小球”進行排序，從而限制了它們在匹配生物組織中的特征信號表達。

近日，中國科學院理化技術研究所和中國科學院大學，聯合清華大學以及首都醫科大學科研團隊開發了一種具有級聯異質界面的雙相凝膠離電器件，實現了從電子到多種離子信號的轉換和傳輸，相關研究成果在國際學術期刊《科學》上發表。

該研究強調了門控機制在實現多元離子信號傳輸中的重要性。在電場的作用下，離子部分去水合和再水合的過程將交替而連續地進行。由于不對稱化學結構和空間尺寸的影響，異質界面將扮演多重“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。雙相多界面結構引發的級聯異質門控效應，將決定不同離子傳輸的能壘，使不同價態陽離子之間的跨界面傳輸呈現巨大的差異。因此，在不同電壓刺激下，HBG材料能夠對離子傳輸能壘進行排序和控制，讓“小球有序奔跑”，實現從電子到多元離子的分級傳輸。

△級聯異質門控雙相凝膠材料

這項研究制備了具有級聯異質門控的離電材料，揭示了級聯異質門控效應對離子傳輸的重要影響，實現了多元離子的分級傳輸和離子選擇性的跨級傳輸，并展示了這一技術在離電信號轉換和生物離子神經調節方面的潛在應用。這種級聯異質門控設計有望在神經擬態信號傳輸方面發揮重要作用，為實現生物非生物系統的多元復雜信號通信提供新的思路和方法。

（總臺央視記者 帥俊全 褚爾嘉）