? ? ? ?近日，南方科技大學生物醫學工程系肖凱課題組在學術期刊Nature?Communications上發表了題為“A nanofluidic chemoelectrical generator with enhanced energy harvesting by ion-electron Coulomb drag”的文章。生物系統通常依靠離子或者分子進行信息傳輸以及能量的交換和存儲，而當前的信息技術依賴于電子的傳輸。雖然后者響應速度快，傳輸效率高，但磁場、高溫和高濕等極端工作環境嚴重限制了電子器件的使用環境；與此同時，集成電路正在接近基于馮·諾依曼計算架構的摩爾定律的極限。近年來，受到生物系統的啟發，基于離子-電子的耦合器件表現出優異的適應性、機械柔韌性和類生物特性，使它們成為先進智能電子設備和生物智能之間溝通的潛在橋梁。
? ? ? ?離子-電子耦合通常發生在液體和固體界面之間。通常，耦合過程可以分為三種基本類型：雙電層 （electric double layer，EDL） 電容過程；電化學氧化還原反應過程，以及贗電容過程。不同于上述被廣泛研究和應用的離子-電子耦合過程，本文提出 “離子-電子”庫倫拖拽效應，可實現離子電流和電子電流的直接交互和轉換。庫倫拖拽效應是指兩個空間相近但彼此絕緣的導電層構成了電雙層結構，在其中一層施加驅動電流會在另一層誘導產生開路電壓，即產生層間拖拽效應。“離子-電子”庫倫拖拽效應基于納米流體內離子傳輸和半導體中電子傳輸的互相作用，進而實現離子-電子的耦合過程。具體來說，在納米尺度下的離子移動行為可以誘導半導體中的自由電子移動，基于這一機制，本工作開發了一種納米流體化學發電機。如圖1所示，碳納米管膜內的納米離子流體由金屬和氧氣之間的自發氧化還原反應驅動。由于納米離子流體中離子和空穴之間巨大的質量差距（105?to 106），基于動量守恒定律，大量的自由電子在碳納米管膜中產生，進而實現了1.2 mA/cm2的放大電流。與此同時，單個納米流體化學發電機單元可以產生~0.8 V的電壓，并具有高達數十伏的線性可擴展性能。
圖1. NCEG原理圖及電輸出特性：(a) NCEG的結構示意圖：一個高度排列的多孔CNTM夾在一對金屬電極之間，這對金屬電極分別是金箔和含有鋁襯底的導電碳帶；(b) CNTM的形貌以及襯底AAO膜的XPS表征；(c)離子沿CNTM運動與CNTM中的自由電子被拖拽的離子庫侖拖拽效應示意圖；(d) NCEG在0.1 M NaCl電解液中產生的開路電壓和短路電流密度。
? ? ? ?眾所周知，智能生物是基于離子定向流動（細胞上蛋白質通道控制離子輸運）形成的電勢信號（動作電位）進行信號的傳遞和信息的交互；和智能生物不同，固態電子器件是基于電勢驅動的電子流動盡心信號的傳輸，如何構筑離子-電子信號交互體系進而實現生物-器件（腦-機）無障礙交互是未來人機交互愿景中最基本的科學問題。本工作報道的基于庫倫拖拽效應的離子-電子耦合過程可實現“離子電流-電子電流”直接交互，有望搭建起電子信息和生物信息交流的新型高速通道。
? ? ? ?南方科技大學為本論文第一單位，溫州大學聯合培養碩士生蔣義沙為論文第一作者，南科大生物醫學工程系2022級博士生劉文超為論文共同第一作者，南科大王濤博士、云南大學王毓德教授、溫州大學劉楠楠教授和南方科技大學副教授肖凱為論文通訊作者。本工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省重點實驗室項目和深圳市科技創新委員會的支持。
? ? ? ?原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52892-4
? ? ? ?肖凱教授課題組（“神經仿生材料與器件”實驗室）長期招聘博士后、科研助理和交流學生。課題組主要圍繞“神經仿生材料、類腦計算器件、神經調控技術”開展化學、材料、電子、生物等多學科交叉研究，自2021年成立以來，課題組自主培養的學生以南科大為第一單位在Nat. Commun., Sci. Adv.,?Angew. Chem.,等雜志發表文章20余篇，課題組多位成員獲批國自然面上項目（2項）、青年基金項目（3項）、博士后海外引才專項基金等。詳細信息見課題組網站：http://www.xiaokai-group.cn/。
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