中新網北京11月27日電 (記者 孫自法)記者27日從中國科學院理化技術研究所(理化所)獲悉，中國科學家通過合作科研攻關，最新開發出一種具有級聯異質界面的雙相凝膠離電器件，成功實現多種離子信號的轉換和傳輸，這一基于軟物質材料實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合清華大學徐志平教授、首都醫科大學劉慧榮教授等共同完成，相關論文近日在國際著名學術期刊《科學》(Science)發表。

　　本次研究的級聯異質門控雙相凝膠材料。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。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移與信號轉換結合的離電器件引起廣泛關注和研究，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，例如，基于水凝膠的離電器件難以實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巨大的挑戰。

　　為突破這一挑戰，本項研究強調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”的難易程度不一樣。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。在不同電壓刺激下，異質門控雙相凝膠(HBG)材料能夠對離子傳輸能壘進行排序和控制，從而讓“小球有序奔跑”，實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訊提供新的思路和方法。(完)