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

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

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

　　論文共同通訊作者聞利平研究員介紹說，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(nèi)的信息傳遞和能量轉(zhuǎn)換則主要依賴于復雜的離子體系。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，實現(xiàn)各種紛繁復雜的生理功能。通俗來說，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(zhuǎn)移與信號轉(zhuǎn)換結(jié)合的離電器件引起廣泛關(guān)注和研究，這些器件被譽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，例如，基于水凝膠的離電器件難以實現(xiàn)不同離子信號的差異性傳輸。因此，讓離子“小球”根據(jù)規(guī)則“賽跑”，從電子到多元離子信號的傳輸和處理仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

　　為突破這一挑戰(zhàn)，本項研究強調(diào)門控機制在實現(xiàn)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(xù)地進行。由于不對稱化學結(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”的難易程度不一樣。雙相多界面結(jié)構(gòu)引發(fā)的級聯(lián)異質(zhì)門控效應(yīng)，將決定不同離子傳輸?shù)哪軌荆共煌瑑r態(tài)陽離子之間的跨界面?zhèn)鬏敵尸F(xiàn)巨大的差異。在不同電壓刺激下，異質(zhì)門控雙相凝膠(HBG)材料能夠?qū)﹄x子傳輸能壘進行排序和控制，從而讓“小球有序奔跑”，實現(xiàn)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)門控的離電材料，揭示了級聯(lián)異質(zhì)門控效應(yīng)對離子傳輸?shù)闹匾绊?，實現(xiàn)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(zhuǎn)換和生物離子神經(jīng)調(diào)節(jié)方面的潛在應(yīng)用。這種級聯(lián)異質(zhì)門控設(shè)計有望在神經(jīng)擬態(tài)信號傳輸方面發(fā)揮重要作用，為實現(xiàn)生物-非生物系統(tǒng)的多元復雜信號通訊提供新的思路和方法。(完)