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生物物理学和生物工程

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原子级离子晶体管可能导致更好的脑电站界面

04 May 2021
艺术家对神经元网络的印象
鼓舞人心的生物学:艺术家对神经元的生活网络的印象,使用离子通道来传输信号。 (礼貌:iStock / Kttimage)

通过中国和美国的研究人员开发了一种原子级离子晶体管,以实现对特定离子的超快打开和离子通道关闭到特定离子的闭合。该团队认为该设备可以具有广泛的应用,从脑 - 计算机界面和海水脱盐到贵金属提取。

电子器件的关键部件是晶体管 - 根据施加到栅极的第三终端的电位允许或阻挡两个端子之间的电子流的开关。这是数字逻辑的基本组件,超过50亿晶体管可以填充到单个硅芯片上。与电子设备一样,人的中枢神经系统使用电脉冲来传输和处理信息。两者之间的关键差异是电子设备依赖于带负电电子的流动,而神经信号由正离子承载。 

研究人员想创造由生物系统启发的离子晶体管 - 但这已证明确实非常棘手。本质上,门控功能由响应某些刺激而打开的通道进行,以允许特定离子扩散通过。然而,一个纳米级系统,在实验室中繁琐地复制了实验室的科学家解释说明 张张 香港大学:“使用传统孔隙结构的人造离子渠道的发展被离子运输的渗透率与选择性之间的权衡受阻。孔径超过水合离子的直径会导致离子选择性在很大程度上消失。“

电驱动的选择性

这个问题已经阻碍了电子和人体之间的界面的开发,并且在纳米级运输中实现了特定类型离子的电驱动选择性,这是进步的关键。成功可能导致更好的理解,诊断和治疗阿尔茨海默氏症和癫痫等疾病,以及协助控制人为肢体和一系列其他应用。

在这个最新的研究中,张致的科学家们在香港和加州大学伯克利,通过将金栅电极连接到安装在氮化硅衬底上的还原的石墨烯刨花的背面上,产生了离子晶体管。他们在两个储存器之间设置了它们的装置 - 一个含有钾离子,另一个没有。当没有电势被施加到栅极时,通过吸引到正离子电荷的水分子,防止钾离子进入在还原氧化物中的氧化石墨烯中的层之间的0.3nm宽的间隙。然而,当施加-1.2V的电位时,负石墨烯和正钾离子之间的静电吸引足以将离子拉入通道中 - 通过扭曲“水合壳”或通过部分剥离它。因此,离子可以将浓度梯度流入其他储存器,接通晶体管。

研究人员发现,随着施加的电位增加,流速也是如此。 “离子可以在我们的石墨烯通道中扩散超过100倍,而不是散装水,”张说。实际上,它们甚至比生物离子通道更快地移动通道。当电压关闭时,流量再次停止。

离子选择性

研究人员还证明了离子选择性。它们以等浓度的氯化钾,氯化铯和氯化锂填充饲料溶液,并改变栅极电压。它们发现允许溶液浓度的显着,电压依赖性变化。 “这里的美丽是,通过应用给定电压,您可以选择尺寸,”Zhang解释。 “为什么?因为如果我具有更大的离子,通过应用不同的电压,我有不同的剥离它或挤压它的能力 - 鸡蛋变得更平坦,所以它可以进入频道。“

除了生物电子产品的基础之外,选择性地从流体中除去离子的能力可用于水处理。 “精心设计的设计原子尺度通道仅允许特定离子或不渗透物的离子可用于有效地从海水中提取珍贵的或稀有金属或纯水,”张开解释。 “这项工作是在离子输送的研究中的基本突破,可以通过给定尺寸的原子尺度固体孔隙电气选择。”

“我当然会考虑[张的工作]我们理解和控制纳米流体运输能力的重要一步,”生物物理学家说 aleksandr noy 加州大学,默塞德和劳伦斯利弗莫尔国家实验室没有参与研究。 “现在的趋势越来越朝着电场驱动的分离。本研究是实现日益精确和高效的电场驱动的分离的步骤之一,我肯定会受到肯定的欢迎。“

研究描述了 科学 .

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