人的大脑是由数十亿个神经元细胞组成的庞大网络，神经元细胞通过发射电信号传递信息，从而形成人们的意识和思维。
在大脑讯息传送过程中，神经元细胞膜上的离子通道起着重要作用。这些离子通道只有埃米尺度（1埃米=0.1纳米，或称作原子尺度），通过感应细胞膜两侧的电压差或其他刺激，开启或关闭通道以控制离子通过细胞膜，就像计算机的晶体管控制电流传输一样，因此被称作「生命的晶体管」。
科学家在过去半个世纪逐渐认识到，生物离子通道能够极快速开关控制并精准筛选碱金属离子在原子尺度滤芯中的传输，以维持人类的基本生命功能。然而，要研发出能仿生这一生物系统的人工结构，让科学家可以更好地了解其个中原理，再作进一步实际应用，却是一大难题。
香港大学（港大）校长张翔教授领导的团队，成功研发首个原子尺度的人工离子晶体管。研究人员结合电学门控技术，利用电子开关调控仅3埃米宽的石墨烯通道，达至高选择性的离子传输，且传输速度比在块体水中快一百倍，这项重大突破已在学术期刊Science刊登。
研究成果将有助于更深入地理解生物体系离子快速选择性传输的机理，实现可控且超快的离子传输，在电化学、生物医学系统，以及能源和环境工程等领域有重大的应用潜力。把这些原子尺度的人工离子晶体管有机地连接起来，形成大规模网络，使得将来用作制造人工神经系统，甚至是类人脑的计算机，都变得有可能。
负责研究项目的张翔教授说：「这个创新性的离子晶体管，在原子尺度的通道内实现了电学可控、极快速且同时具选择性的离子传输，这跟大脑神经元中离子信道的功能很类似。研究结果加深了我们对于离子在极小空间内传输机理的理解，对海水淡化、医学透析等一些重要领域的应用，意义重大。」
过往利用传统孔道结构的人工离子信道研究，一直受制于离子传输的渗透性和选择性两个相互矛盾的性质。当通道大于水合离子的直径时，渗透性高，但对离子的筛选功能很大程度上消失，选择性降低。通过在埃米尺度精准调控离子通道的尺寸，虽然可以提高对碱金属离子的筛选能力，但由于水合离子进入较小的通道内具有较高的能量势垒，令其速度减慢，于是显著降低了离子通道的传输能力。
「在研发的这个原子尺度石墨烯通道内，我们观测到超快的选择性离子传输，其等效扩散性系数高达Deff ≈ 2.0´10-7 m2/s。这是目前据我们所知，在人工信道内浓度梯度驱动下观测到的最快离子扩散传输，甚至高于目前实验测得的生物离子通道内的本质扩散系数。」研究的第一作者、张翔教授课题组原博士后薛亚辉博士解释说。
来自香港和加州大学伯克利分校的研究人员，首次利用门控电压来调节原子尺度石墨烯通道内的表面电势，实现带电离子在信道内作极高密度的排布。相邻电荷间存在着较强的静电相互作用，使得电荷在通道内处于一个动态平衡状态。由于通道内能容纳的电荷总量是固定的，所以当一个带电离子从一端进入通道，另一个电荷会从另一端被排斥出去，由此产生的电荷协同移动效应能大幅提高整体的传输速度和效率。
「我们的原位光学测量显示，当施加最高电压时，石墨烯信道内的电荷密度达到1.8´1014 /cm2，这是超乎意料的高。我们的平均场理论模型显示，这里观测到的超快离子传输，归因于这些离子在石墨烯通道内的密集排布所引起的协同移动效应。」张翔教授课题组原博士研究生夏洋说。
该原子尺度离子晶体管还表现出优异、类似于生物通道的可调控能力，这缘于水合离子进入原子尺度石墨烯通道内存在能量势垒而引起的阈值效应。当通道尺寸比碱金属离子更小时，由于能量势垒的存在，离子在自然状态下不能自发进入通道内。通过施加门控电压，离子的水核层会变形或者被部分剥离掉，从而可以克服能量势垒，使离子能够进入通道，实现渗透性传输。同时，该原子尺度离子晶体管内的碱金属离子的选择透过性顺序，与生物钾离子通道内的一致，反映出人工晶体管和生物离子通道在控制离子传输机理上的相似性，即它们都结合了受限制空间内的去水合化效应和静电相互作用等。
Xue, Y.; Xia, Y.; Yang, S.; Alsaid, Y.; Fong, K. Y.; Wang, Y.; Zhang, X., Atomic-scale ion transistor with ultrahigh diffusivity. Science 2021, 372 (6541), 501-503
