雙相凝膠離電器件實現多元離子信號傳輸

　　中國青年科學家組成的學科交叉團隊，發展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。11月2日，相關研究成果以Cascade-heterogated biphasic gel iontronics for electronic-to-multi-ionic signal transmission為題，在線發表在《科學》（Science）上。

　　在生物-非生物系統中，尤其在神經電極、神經假體、智能可植入設備等領域，電子器件和離電器件具有重要作用。然而，相較于生物神經網絡，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，如何實現多種生物離子信號的有效可控傳輸，以關聯復雜生物系統，一直是相關領域的科學難題。

　　在生物系統中，復雜的神經網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。受到這種神經界面門控結構的啟發，中國科學院理化技術研究所/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，共同開發了一種級聯異質門控的雙相凝膠離子電子器件（Cascade-heterogated Biphasic-gel Iontronics，HBG），能夠實現從電子到多種離子信號的轉換和傳輸（如圖）。

　　研究團隊構建了具有離子富集相和連續低電導相的雙相凝膠材料。與傳統水凝膠離子電子器件不同，離子在異質網絡中需通過跨相傳輸。而在這一過程中，離子經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，當異質門控數量達到一定值時，離子將呈現由界面遷移能壘主導的傳輸行為。換言之，級聯異質門控界面能夠從根本上放大不同離子之間跨界面傳輸的差異，使不同離子信號的傳輸產生數量級的區別。更重要的是，級聯異質門控界面可根據遷移能壘進行離子傳輸分級，實現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體液離子信號，調節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應用的發展。

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

　　級聯異質門控兩相凝膠離電材料的結構和跨界面離子傳輸