? ? ? ?近日，南方科技大學生物醫學工程系肖凱課題組在學術期刊Science Advances上發表了題為“Bioinspired carbon nanotubes-based nanofluidic ionic transistor with ultrahigh switching capabilities for logic circuits”的文章。該研究受電壓門控離子通道（即生命體的晶體管）的開關機理啟發，成功制備了基于表面電荷調控的離子基晶體管，在超低的柵極電壓下可以實現超高開關比（104），并基于離子晶體管構建了邏輯門，展示了其在離子基電路應用發展。同時，該課題組圍繞離子信息器件的構筑也取得了一系列進展，相關成果發表在學術期刊Angewandte Chemie International Edition、Device和ACS Nano上。
? ? ? ?電子器件和大腦信息處理機制的最大差別是：人腦是使用離子作為信息載體的一個具有超低能耗和超高性能的智能系統，而電壓門控離子通道，又被稱為“智能生命體的晶體管”，可以精確而有選擇性地調節離子傳輸，是智能生命維持重要生理活動并處理復雜信息的關鍵結構之一。受此啟發，基于離子為信息載體的離子晶體管應運而生，此類探索精確控制離子傳輸的人工器件，將有助于推動基于離子體系的超低能耗信息技術開發，在離子傳感、低能耗神經擬態計算、腦機接口等領域具有廣泛的應用前景。
圖1 生命體的晶體管以及如何通過納米流體系統構筑離子基晶體管
? ? ? ?課題組對一種基于碳納米管的納米流體離子晶體管進行了深入研究，在低至1V的柵極電壓下，實現了104的開關比。通過控制碳納米管的形貌，實現單極和雙極性離子晶體管，并通過引入Al2O3介電層進一步提高其開關比。同時，該納米流體離子晶體管利用柵極電位控制碳納米管的表面特性，實現了p型和n型之間的極性切換，并成功展示了納米流體離子晶體管用于非門、與非門、或非門離子電路的構筑。
圖2 納米流體離子晶體管的仿生設計及其開關態
? ? ? ?同時，課題組從工作機制、器件結構發展、性能表征、發展前景等方面對離子信息器件進行了總結，討論了離子晶體管在DNA檢測、藥物傳遞和離子電路中的應用，并對其面臨的挑戰和未來的機遇進行了展望。
圖3 應用與展望示意圖
? ? ? ?生命體選擇離子作為人類大腦的信息載體，神經細胞上各種離子通道的緊密協同，形成了人類大腦計算快、能量消耗低的優勢。受大自然的啟發，離子信息器件和電子器件相比，雖然仍處于初級階段，但卻展現了巨大的應用前景。課題組期望離子晶體管在未來可以在海水中離子和分子的濃縮或分離、臨床醫學中的生理疾病檢測、模擬大腦神經網絡計算的納米流體系統（例如，實現基于動作電位的各種脈沖信號、生物振蕩、長期和短期記憶等）、可植入納米流體器件和無障礙腦機接口等領域發揮重要作用。
? ? ? ?南方科技大學為論文第一單位，生物醫學工程系2022級博士生劉文超為論文第一作者，科研助理梅婷婷、國家納米中心曹洲文為論文共同第一作者，中國科學院大連化學物理研究所副研究員陳若天、中國科學院國家納米科學中心副研究員涂斌和南方科技大學副教授肖凱為論文通訊作者。合作單位包括中國科學院大連化學物理研究所、中國科學院國家納米科學中心、中國科學院理化技術研究所、南方科技大學力學與航空航天工程系和南方科技大學材料科學與工程系。本工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省重點實驗室項目和深圳市科技創新委員會的支持。
論文鏈接：
1.?https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj7867
2.?https://doi.org/10.1002/anie.202401477
3.?https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666998624000565?
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