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软乎乎,能导电,可拉伸:Science封面论文,香港大学实现3D 水凝胶晶体管| 光锥读论文

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11月20 日,Science发表了一项令人瞩目的成果,香港大学和剑桥大学的联合团队研发出三维水凝胶半导体及晶体管,打破了传统电子器件与生物系统之间的维度壁垒,为下一代生物电子学的发展开辟了新路径。通讯作者为香港大学的张世明教授和剑桥大学的George G.Malliaras教授。此论文也为Science当期封面论文。

电子与生命的维度鸿沟

我们日常使用的手机、电脑等电子设备,其核心部件晶体管都是二维平面结构,坚硬且规整。我们的人体组织、神经元网络却是柔软的、不规则的三维结构。这种维度的不匹配,让传统电子器件很难与生物系统实现无缝对接。

比如,当科学家想让电子设备监测大脑神经元活动,或用电子信号调控细胞行为时,坚硬的二维晶体管既无法贴合复杂的生物组织,也难以实现三维空间上的精准交互。水凝胶这种材料恰好具备类似人体组织的柔软度和生物相容性,被视为生物电子学的理想候选材料,但此前的水凝胶半导体只能做到纳米到微米级的厚度,一旦增厚就会失去导电调控功能,无法实现真正的三维应用。

电子与生命的维度鸿沟

研究团队创造性地设计了"双网络水凝胶系统",通过相工程和结构工程,让水凝胶半导体实现了毫米级厚度的突破,同时保持着优异的性能。

第一步:搭建电子传输的高速公路

水凝胶中存在水、凝胶和水凝胶混合物三种相态,要让它具备半导体特性,首先需要形成连续的导电相。团队发现,在主导电水凝胶(如PEDOT:PSS)中加入第二种水凝胶网络(如聚丙烯酸 PAA),可以像模板一样引导导电分子形成连续的传输通道。实验显示,加入 PAA 后,水凝胶的导电率从 0.9 S/cm 大幅提升至 100 S/cm,相当于为电子搭建了畅通无阻的高速公路,同时还能保持类似人体组织的柔软度。

第二步:打造离子穿梭的"通透网络"

电子能顺畅传输还不够,晶体管的工作还需要离子的参与。团队通过三种方式调控水凝胶的孔隙率:调整原材料浓度,改变交联剂用量,以及在水凝胶成型后进行溶剂交换。这样可以将水凝胶的孔隙率精确控制在5% 到 90% 之间,形成大量微小孔洞。

有趣的是,孔隙率对电子和离子传输的影响恰好相反:孔隙率越高,电子传输越困难,但离子穿梭越顺畅。经过反复实验,团队找到了最佳孔隙率区间,在这个区间内,电子和离子的传输达到完美平衡,水凝胶晶体管的开关比(衡量晶体管性能的关键指标)高达10⁴,与最先进的二维有机晶体管相当。

关键验证:毫米级厚度的全维度调控

传统二维晶体管增厚到10 微米以上后,电容就不再随厚度线性增长,意味着无法实现全厚度的导电调控。而团队研发的水凝胶晶体管,即使厚度达到 1 毫米达到传统厚度的100 倍,电容依然与厚度保持完美的线性关系。这表明,离子能够穿透整个水凝胶通道,实现真正的三维立体调控。

在性能测试中,1 毫米厚的水凝胶晶体管开关比达到 10⁴,是同样厚度传统晶体管的 1000 倍,展现出惊人的调控效率。

图说:(A) 水凝胶半导体(PEDOT:PSS/PAA)被制成纤维形态,从而能够直接构建出三维自支撑的晶体管结构。(B) 一个集成了三维水凝胶晶体管的类脑神经形态电路示意图。该电路系统包含模拟前端、微控制单元、蓝牙模块和电解液,并由电池供电。(C) 三维互穿结构的水凝胶晶体管的真实照片。这些晶体管能够模拟大脑中神经回路的三维空间结构,并展现出在 0% 与 30% 拉伸应变下的稳定形态。图中比例尺长度为 0.5 厘米。

量产的三维电子器件

更令人振奋的是,这种3D 水凝胶半导体可以通过简单的水溶液工艺批量生产。研究团队开发了一步法制备流程,将原材料预先混合后,通过交联反应就能形成各种形状的水凝胶半导体,厚度可从微米级到毫米级自由调节,还能制成纤维等形态,具备良好的拉伸性。实验表明即使拉伸30%,性能也不会受影响。

基于这种材料,团队成功搭建了三维互穿的晶体管阵列,这种结构酷似大脑中的神经元网络。他们将这个3D 晶体管阵列与自主研发的硬币大小的读取设备结合,构建了类脑计算系统。在手写数字识别测试中,该系统的识别准确率达到 91.93%,与传统人工神经网络相当,而且在拉伸 30% 的情况下依然能保持这个精度。

未来应用:生物电子的"三维对话"

这项技术的突破,让电子设备与生物系统的"双向沟通" 成为可能。

在生物传感领域,3D 水凝胶晶体管可以像 "电子支架" 一样,包裹细胞或组织器官,实时监测神经信号、代谢产物等生物信息,为疾病诊断提供更精准的依据;在类脑计算方面,三维互穿的晶体管阵列能够更好地模拟大脑的空间连接方式,有望开发出更高效、低功耗的神经网络计算设备;在再生医学领域,具备生物相容性的水凝胶晶体管可以植入人体,引导细胞生长和组织修复,实现 "电子调控再生"。

值得一提的是,研究团队已经验证了该材料的生物安全性,能够支持细胞培养和类器官形成,为后续的生物医学应用奠定了基础。

这项研究最大的意义,在于它打破了二维电子学的固有框架,用柔软的三维材料搭建起电子技术与生命系统的沟通桥梁。未来,随着技术的不断优化,我们或许会看到更多"可植入、可穿戴、可生长" 的电子设备,让前沿科技真正融入生命,为健康监测、疾病治疗和人工智能带来革命性的变化。

编辑 吴欧

论文信息

发布期刊 Scicence

发布时间 2025年11月20日

论文标题 Increasing the dimensionality of transistors with hydrogels

DOI: 10.1126/science.adx4514

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