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Science Advances上发表了题为“Bioinspired carbon nanotubes-based nanofluidic ionic transistor with ultrahigh switching capabilities for logic circuits”的文章。该研究受电压门控离子通道（即生命体的晶体管）的开关机理启发，成功制备了基于表面电荷调控的离子基晶体管，在超低的栅极电压下可以实现超高开关比（10⁴），并基于离子晶体管构建了逻辑门，展示了其在离子基电路应用发展。同时，该课题组围绕离子信息器件的构筑也取得了一系列进展，相关成果发表在学术期刊Angewandte Chemie International Edition、Device和ACS Nano上。

       电子器件和大脑信息处理机制的最大差别是：人脑是使用离子作为信息载体的一个具有超低能耗和超高性能的智能系统，而电压门控离子通道，又被称为“智能生命体的晶体管”，可以精确而有选择性地调节离子传输，是智能生命维持重要生理活动并处理复杂信息的关键结构之一。受此启发，基于离子为信息载体的离子晶体管应运而生，此类探索精确控制离子传输的人工器件，将有助于推动基于离子体系的超低能耗信息技术开发，在离子传感、低能耗神经拟态计算、脑机接口等领域具有广泛的应用前景。

图1 生命体的晶体管以及如何通过纳米流体系统构筑离子基晶体管

       课题组对一种基于碳纳米管的纳米流体离子晶体管进行了深入研究，在低至1V的栅极电压下，实现了10⁴的开关比。通过控制碳纳米管的形貌，实现单极和双极性离子晶体管，并通过引入Al₂O₃介电层进一步提高其开关比。同时，该纳米流体离子晶体管利用栅极电位控制碳纳米管的表面特性，实现了p型和n型之间的极性切换，并成功展示了纳米流体离子晶体管用于非门、与非门、或非门离子电路的构筑。

图2 纳米流体离子晶体管的仿生设计及其开关态

       同时，课题组从工作机制、器件结构发展、性能表征、发展前景等方面对离子信息器件进行了总结，讨论了离子晶体管在DNA检测、药物传递和离子电路中的应用，并对其面临的挑战和未来的机遇进行了展望。

图3 应用与展望示意图

       生命体选择离子作为人类大脑的信息载体，神经细胞上各种离子通道的紧密协同，形成了人类大脑计算快、能量消耗低的优势。受大自然的启发，离子信息器件和电子器件相比，虽然仍处于初级阶段，但却展现了巨大的应用前景。课题组期望离子晶体管在未来可以在海水中离子和分子的浓缩或分离、临床医学中的生理疾病检测、模拟大脑神经网络计算的纳米流体系统（例如，实现基于动作电位的各种脉冲信号、生物振荡、长期和短期记忆等）、可植入纳米流体器件和无障碍脑机接口等领域发挥重要作用。

       南方科技大学为论文第一单位，生物医学工程系2022级博士生刘文超为论文第一作者，科研助理梅婷婷、国家纳米中心曹洲文为论文共同第一作者，中国科学院大连化学物理研究所副研究员陈若天、中国科学院国家纳米科学中心副研究员涂斌和南方科技大学副教授肖凯为论文通讯作者。合作单位包括中国科学院大连化学物理研究所、中国科学院国家纳米科学中心、中国科学院理化技术研究所、南方科技大学力学与航空航天工程系和南方科技大学材料科学与工程系。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。

 

论文链接：

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

4. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c06190