中新網(wǎng)北京11月27日電 (記者 孫自法)記者27日從中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所(理化所)獲悉，中國科學(xué)家通過(guò)合作科研攻關(guān)，最新開(kāi)發(fā)出一種具有級聯(lián)異質(zhì)界面的雙相凝膠離電器件，成功實(shí)現多種離子信號的轉換和傳輸，這一基于軟物質(zhì)材料實(shí)現可控離子傳輸的研究突破，將有望為生物和非生物系統之間搭建起通訊之“橋”。

　　這項重要科研成果是在中國科學(xué)院理化所江雷院士指導下，由中國科學(xué)院理化所聞利平研究員和中國科學(xué)院大學(xué)趙紫光副教授聯(lián)合清華大學(xué)徐志平教授、首都醫科大學(xué)劉慧榮教授等共同完成，相關(guān)論文近日在國際著(zhù)名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)發(fā)表。

　　本次研究的級聯(lián)異質(zhì)門(mén)控雙相凝膠材料。中國科學(xué)院理化所 供圖

　　論文共同通訊作者聞利平研究員介紹說(shuō)，人工電子電路主要基于電子和空穴進(jìn)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(lài)于復雜的離子體系。以人體為例，生物系統通過(guò)協(xié)調多種離子，如鉀、鈉、鈣和氯離子等，實(shí)現各種紛繁復雜的生理功能。通俗來(lái)說(shuō)，各種離子就像一顆顆小球，在受到刺激信號(如電信號等)時(shí)，按需向目的地前進(jìn)。

　　近年來(lái)，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廣泛關(guān)注和研究，這些器件被譽(yù)為生物和非生物系統之間的橋梁，在神經(jīng)電極、神經(jīng)假體、智能可植入設備等領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)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(wú)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(mén)控/非門(mén)控材料，無(wú)法同時(shí)對多種離子“小球”進(jìn)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，例如，基于水凝膠的離電器件難以實(shí)現不同離子信號的差異性傳輸。因此，讓離子“小球”根據規則“賽跑”，從電子到多元離子信號的傳輸和處理仍然是一個(gè)巨大的挑戰。

　　為突破這一挑戰，本項研究強調門(mén)控機制在實(shí)現多元離子信號傳輸中的重要性。在電場(chǎng)的作用下，離子部分去水合和再水合的過(guò)程將交替而連續地進(jìn)行。由于不對稱(chēng)化學(xué)結構和空間尺寸的影響，異質(zhì)界面將扮演多重“門(mén)”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”的難易程度不一樣。雙相多界面結構引發(fā)的級聯(lián)異質(zhì)門(mén)控效應，將決定不同離子傳輸的能壘，使不同價(jià)態(tài)陽(yáng)離子之間的跨界面傳輸呈現巨大的差異。在不同電壓刺激下，異質(zhì)門(mén)控雙相凝膠(HBG)材料能夠對離子傳輸能壘進(jìn)行排序和控制，從而讓“小球有序奔跑”，實(shí)現多元離子的分級傳輸。

　　聞利平表示，此次合作研究制備出具有級聯(lián)異質(zhì)門(mén)控的離電材料，揭示了級聯(lián)異質(zhì)門(mén)控效應對離子傳輸的重要影響，實(shí)現多元離子的分級傳輸和離子選擇性的跨級傳輸，并展示這一技術(shù)在離電信號轉換和生物離子神經(jīng)調節方面的潛在應用。這種級聯(lián)異質(zhì)門(mén)控設計有望在神經(jīng)擬態(tài)信號傳輸方面發(fā)揮重要作用，為實(shí)現生物-非生物系統的多元復雜信號通訊提供新的思路和方法。(完)