图 级联异质门控两相凝胶离电材料的结构和跨界面离子传输。(A)级联异质门控两相凝胶离电材料结构示意图；(B)激光共聚焦图片证明橙色连续低电导相包裹蓝色的离子储存相；(C)异质界面门控离子传输过程
在国家自然科学基金项目（批准号：21988102、22275183、22122207、11825203）资助下，中国科学院理化技术研究所闻利平研究员团队与中国科学院大学赵紫光副教授受生物系统中神经界面门控结构的启发，共同开发了一种级联异质门控的双相凝胶离子电子器件（Cascade-heterogated Biphasic-gel Iontronics，HBG），该器件能够实现从电子到多种离子信号的转换和传输。相关研究成果以“级联异质门控两相凝胶离电器件用于多元离子信号传输（Cascade-heterogated biphasic gel iontronics forelectronic-to-multi-ionic signal transmission）”为题，近日发表在《科学》（Science）杂志上，论文链接 https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0059。
在生物-非生物系统中，尤其在神经电极、神经假体、智能可植入设备等领域，电子器件和离电器件具有重要作用。然而，相较于生物神经网络，目前的电子和离电器件大多仅具有单一电子或离子信息载体，因而难以容纳更多生物相容信息。因此，在离电器件中，如何实现多种生物离子信号的有效可控传输，以关联复杂生物系统，一直是相关领域的科学难题。
针对这一难题，研究团队构建了具有离子富集相和连续低电导相的双相凝胶材料。与传统水凝胶离子电子器件不同，离子在异质网络中需通过跨相传输，并经历部分去水合和再水合过程。由于不同离子的本征特性，它们的水合-去水合能也存在差异。研究表明，当异质门控数量达到一定值时，离子将呈现由界面迁移能垒主导的传输行为。换言之，级联异质门控界面能够从根本上放大不同离子之间跨界面传输的差异，使不同离子信号的传输产生数量级的区别。更重要的是，级联异质门控界面可根据迁移能垒进行离子传输分级，实现多离子分级和跨级传输。此外，该研究还成功地利用源自HBG基的离子突触的神经体液离子信号，调节了牛蛙心脏的心电活动。这一离子电子器件有望加速各种生物技术应用的发展。