登上Science封面：中国科学家首创毫米级“大脑晶体管”，打破电子器件与生命系统之间的鸿沟

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

晶体管是现代电子技术的基础，传统上它们是刚性的、平面的和二维（2D）的，这限制了它们与生物系统的柔软、不规则和三维（3D）特性相融合。

随着有机生物电子学的发展，人们对开发性能优异的可拉伸半导体产生了浓厚兴趣。迄今为止，大多数方法依赖于将半导体材料与弹性体混合，虽然其电子性能良好，但这些材料的模量远高于生物组织，且无法通过离子插入进行调控。

而现在，一块能像脑组织一样柔软、可拉伸，又能像传统晶体管一样精确调控电信号的半导体材料，从幻想走向现实。

2025 年 11 月 20 日，香港大学张世明教授团队与剑桥大学George G.Malliaras教授团队合作，在国际顶尖学术期刊Science上发表了题为：Increasing the dimensionality of transistors with hydrogels 的研究论文。

该研究成功研制出了世界首款三维（3D）水凝胶半导体晶体管，其调制厚度达到毫米级别，同时具备生物组织级别的柔软度和生物相容性。

这项研究彻底打破了二维（2D）电子器件和三维（3D）生命系统之间的鸿沟，为脑机接口、生物混合传感和神经形态计算等先进生物电子系统铺平了道路。

由于高含水量和柔软的机械性能，大体积水凝胶被用作组织工程的结构支撑，但它们缺乏半导体特性。这张封面图片展示的是三维、毫米厚度且可嵌入细胞的半导体水凝胶纤维。这些纤维可用于构建交织的活体晶体管，模拟大脑中真实的神经元连接，重新定义了技术与生命之间的界限。

维度困境，当电子设备遇见生命体

自晶体管发明以来，电子设备沿着摩尔定律的轨迹不断缩小尺寸、提升性能。然而，这些进步始终建立在刚性、平面的二维结构基础上。当我们试图将电子设备与生命系统结合时，矛盾出现了：生物组织是柔软、不规则且三维立体的，而晶体管却是刚性且平面的。

这种根本性的不匹配，使得传统电子设备难以与神经元等生物组织实现高效、无缝的集成。生命系统是三维的，而电子器件却是二维的，二者之间的维度鸿沟成为生物电子学发展的关键瓶颈。

水凝胶的蜕变，从生物材料到半导体

研究团队将目光投向了水凝胶——一种含水量高、具有类似生物组织柔软性的材料。水凝胶在生物医学领域已有广泛应用，但其电子性能一直受限。近年来，氧化还原活性水凝胶的出现让材料具备了半导体特性，但其调制厚度始终局限在微米级别。

当厚度超过微米尺度时，离子传输和离子-电子耦合效应会显著减弱，导致半导体功能失效。这意味着，要实现真正的三维集成，必须突破水凝胶半导体的厚度极限。

研究团队创新性地设计了双网络水凝胶系统：首先构建一个多孔的次级水凝胶作为 3D 模板，引导初级氧化还原活性导电水凝胶的 3D 组装。这种设计既保证了电子传输的连续性，又优化了离子传输路径。

三维调控的奥秘，离子与电子的完美共舞

实现毫米级 3D 调制的关键在于平衡离子和电子传输。团队通过两大工程策略攻克了这一难题：

相工程确保形成连续的 PEDOT+ 相，为电子传输提供“高速公路”。通过引入聚丙烯酸（PAA）作为次级网络，导电率从 0.9 S/cm 提升至 100 S/cm，提高了超过两个数量级。

结构工程精确控制水凝胶的孔隙率，为离子传输创造最佳条件。研究团队开发了溶剂交换等方法，使孔隙率可在 5%-90% 的宽范围内调控。

3D 水凝胶半导体的相工程以促进电子传输

该研究发现存在一个最佳孔隙率范围，对应着最高的开关比（104），这与最先进的有机电化学晶体管（OECT）性能相当。这一发现表明，在该孔隙率下可实现最佳离子-电子耦合效应。

性能超越传统，毫米厚度实现卓越效能

实验结果显示，3D 水凝胶晶体管表现出卓越的性能。在相同 1 毫米厚度下，水凝胶晶体管的开关比达到约 104，比参考 OECT 高出三个数量级。这证明了 3D 水凝胶半导体具有高效的掺杂/脱掺杂效率。

更令人振奋的是，水凝胶半导体的体积电容与厚度保持线性关系，直至毫米级别，而传统薄膜在厚度超过约 10 微米时就无法维持这种线性关系。这意味着在 3D 水凝胶半导体中实现了完整的 3D 调制。

研究团队进一步评估了关键性能参数 dμC*，该参数直接关联晶体管的跨导。水凝胶半导体的 dμC* 达到了 0.1 F·V⁻¹·s⁻¹，显著高于传统 2D 架构的 OECT。

从材料到系统，构建 3D 神经形态电路

凭借可规模化生产的能力，研究团队将 3D 水凝胶半导体制成自支撑纤维，构建出类脑 3D 神经形态电路。这些电路组装成 3D 空间互穿的晶体管阵列，用于数据计算和分析。

为展示其计算潜力，团队采用储层计算（RC）框架，构建了基于 3D 水凝胶晶体管阵列的 RC 系统。在手写数字识别（handwritten digit recognition）任务中，该系统实现了高达 91.93% 的识别准确率，与传统人工神经网络相媲美。

更令人称奇的是，即使在任意方向施加高达 30% 的应变情况下，该系统仍能保持高预测精度，展现了其在可拉伸电子领域的巨大潜力。

利用 3D 水凝胶半导体增加晶体管的维度

未来应用前景，打通生命与机器的最后壁垒

这项研究的深远意义在于，它首次实现了在毫米尺度上同时控制软物质的电子、离子和机械性能。这项技术有望催生新一代生物集成电子设备，例如高兼容性脑机接口、智能植入式医疗设备等。

由于水凝胶半导体具备生物相容性、可拉伸性和渗透性等组织类似特性，它们能够在电子设备和生命系统之间建立稳健耐用的 3D 接口。研究团队已初步演示了这些 3D 半导体和晶体管支持双向生物-晶体管相互作用，包括细胞培养、类器官形成和可编程细胞行为。

随着三维半导体时代的到来，电子设备与生命系统之间的界限将变得越来越模糊，一个软硬结合、智能互联的新世界正在我们眼前展开。这项研究不仅突破了材料科学的极限，更重新定义了电子与生命融合的未来图景。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx4514