勇于冒险 甘于艰苦 乐于和谐

       近日，南方科技大学生物医学工程系肖凯课题组在学术期刊Nature Communications上发表了题为“A nanofluidic chemoelectrical generator with enhanced energy harvesting by ion-electron Coulomb drag”的文章。生物系统通常依靠离子或者分子进行信息传输以及能量的交换和存储，而当前的信息技术依赖于电子的传输。虽然后者响应速度快，传输效率高，但磁场、高温和高湿等极端工作环境严重限制了电子器件的使用环境；与此同时，集成电路正在接近基于冯·诺依曼计算架构的摩尔定律的极限。近年来，受到生物系统的启发，基于离子-电子的耦合器件表现出优异的适应性、机械柔韧性和类生物特性，使它们成为先进智能电子设备和生物智能之间沟通的潜在桥梁。

       离子-电子耦合通常发生在液体和固体界面之间。通常，耦合过程可以分为三种基本类型：双电层 （electric double layer，EDL） 电容过程；电化学氧化还原反应过程，以及赝电容过程。不同于上述被广泛研究和应用的离子-电子耦合过程，本文提出 “离子-电子”库伦拖拽效应，可实现离子电流和电子电流的直接交互和转换。库伦拖拽效应是指两个空间相近但彼此绝缘的导电层构成了电双层结构，在其中一层施加驱动电流会在另一层诱导产生开路电压，即产生层间拖拽效应。“离子-电子”库伦拖拽效应基于纳米流体内离子传输和半导体中电子传输的互相作用，进而实现离子-电子的耦合过程。具体来说，在纳米尺度下的离子移动行为可以诱导半导体中的自由电子移动，基于这一机制，本工作开发了一种纳米流体化学发电机。如图1所示，碳纳米管膜内的纳米离子流体由金属和氧气之间的自发氧化还原反应驱动。由于纳米离子流体中离子和空穴之间巨大的质量差距（10⁵ to 10⁶），基于动量守恒定律，大量的自由电子在碳纳米管膜中产生，进而实现了1.2 mA/cm²的放大电流。与此同时，单个纳米流体化学发电机单元可以产生~0.8 V的电压，并具有高达数十伏的线性可扩展性能。

图1. NCEG原理图及电输出特性：(a) NCEG的结构示意图：一个高度排列的多孔CNTM夹在一对金属电极之间，这对金属电极分别是金箔和含有铝衬底的导电碳带；(b) CNTM的形貌以及衬底AAO膜的XPS表征；(c)离子沿CNTM运动与CNTM中的自由电子被拖拽的离子库仑拖拽效应示意图；(d) NCEG在0.1 M NaCl电解液中产生的开路电压和短路电流密度。

       众所周知，智能生物是基于离子定向流动（细胞上蛋白质通道控制离子输运）形成的电势信号（动作电位）进行信号的传递和信息的交互；和智能生物不同，固态电子器件是基于电势驱动的电子流动尽心信号的传输，如何构筑离子-电子信号交互体系进而实现生物-器件（脑-机）无障碍交互是未来人机交互愿景中最基本的科学问题。本工作报道的基于库伦拖拽效应的离子-电子耦合过程可实现“离子电流-电子电流”直接交互，有望搭建起电子信息和生物信息交流的新型高速通道。

       南方科技大学为本论文第一单位，温州大学联合培养硕士生蒋义沙为论文第一作者，南科大生物医学工程系2022级博士生刘文超为论文共同第一作者，南科大王涛博士、云南大学王毓德教授、温州大学刘楠楠教授和南方科技大学副教授肖凯为论文通讯作者。本工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省重点实验室项目和深圳市科技创新委员会的支持。

       原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52892-4

       肖凯教授课题组（“神经仿生材料与器件”实验室）长期招聘博士后、科研助理和交流学生。课题组主要围绕“神经仿生材料、类脑计算器件、神经调控技术”开展化学、材料、电子、生物等多学科交叉研究，自2021年成立以来，课题组自主培养的学生以南科大为第一单位在Nat. Commun., Sci. Adv., Angew. Chem.,等杂志发表文章20余篇，课题组多位成员获批国自然面上项目（2项）、青年基金项目（3项）、博士后海外引才专项基金等。详细信息见课题组网站：http://www.xiaokai-group.cn/。