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(xué)院理化所江雷院士指導(dǎo)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(yī)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，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(nèi)的信息傳遞和能量轉(zhuǎn)換則主要依賴于復(fù)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(fù)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(jìn)。

　　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(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(dá)，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(jìn)行。由于不對稱化學(xué)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?，使不同價態(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(jìn)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(fù)雜信號通訊提供新的思路和方法。(完)