人的大腦是由數十億個神經元細胞組成的龐大網絡，神經元細胞通過發射電信號傳遞信息，從而形成人們的意識和思維。

在大腦訊息傳送過程中，神經元細胞膜上的離子通道起著重要作用。這些離子通道只有埃米尺度（1埃米=0.1納米，或稱作原子尺度），通過感應細胞膜兩側的電壓差或其他刺激，開啟或關閉通道以控制離子通過細胞膜，就像計算機的晶體管控制電流傳輸一樣，因此被稱作「生命的晶體管」。

科學家在過去半個世紀逐漸認識到，生物離子通道能夠極快速開關控制並精準篩選鹼金屬離子在原子尺度濾芯中的傳輸，以維持人類的基本生命功能。然而，要研發出能仿生這一生物系統的人工結構，讓科學家可以更好地了解其個中原理，再作進一步實際應用，卻是一大難題。

香港大學（港大）校長張翔教授領導的團隊，成功研發首個原子尺度的人工離子晶體管。研究人員結合電學門控技術，利用電子開關調控僅3埃米寬的石墨烯通道，達至高選擇性的離子傳輸，且傳輸速度比在塊體水中快一百倍，這項重大突破已在學術期刊Science刊登。

研究成果將有助於更深入地理解生物體系離子快速選擇性傳輸的機理，實現可控且超快的離子傳輸，在電化學、生物醫學系統，以及能源和環境工程等領域有重大的應用潛力。把這些原子尺度的人工離子晶體管有機地連接起來，形成大規模網絡，使得將來用作製造人工神經系統，甚至是類人腦的計算機，都變得有可能。

負責研究項目的張翔教授說：「這個創新性的離子晶體管，在原子尺度的通道內實現了電學可控、極快速且同時具選擇性的離子傳輸，這跟大腦神經元中離子信道的功能很類似。研究結果加深了我們對於離子在極小空間內傳輸機理的理解，對海水淡化、醫學透析等一些重要領域的應用，意義重大。」

過往利用傳統孔道結構的人工離子信道研究，一直受制於離子傳輸的滲透性和選擇性兩個相互矛盾的性質。當通道大於水合離子的直徑時，滲透性高，但對離子的篩選功能很大程度上消失，選擇性降低。通過在埃米尺度精準調控離子通道的尺寸，雖然可以提高對鹼金屬離子的篩選能力，但由於水合離子進入較小的通道內具有較高的能量勢壘，令其速度減慢，於是顯著降低了離子通道的傳輸能力。

「在研發的這個原子尺度石墨烯通道內，我們觀測到超快的選擇性離子傳輸，其等效擴散性係數高達Deff ≈ 2.0´10-7 m2/s。這是目前據我們所知，在人工信道內濃度梯度驅動下觀測到的最快離子擴散傳輸，甚至高於目前實驗測得的生物離子通道內的本質擴散係數。」研究的第一作者、張翔教授課題組原博士後薛亞輝博士解釋說。

來自香港和加州大學伯克利分校的研究人員，首次利用門控電壓來調節原子尺度石墨烯通道內的表面電勢，實現帶電離子在信道內作極高密度的排布。相鄰電荷間存在著較強的靜電相互作用，使得電荷在通道內處於一個動態平衡狀態。由於通道內能容納的電荷總量是固定的，所以當一個帶電離子從一端進入通道，另一個電荷會從另一端被排斥出去，由此產生的電荷協同移動效應能大幅提高整體的傳輸速度和效率。

「我們的原位光學測量顯示，當施加最高電壓時，石墨烯信道內的電荷密度達到1.8´1014 /cm2，這是超乎意料的高。我們的平均場理論模型顯示，這裡觀測到的超快離子傳輸，歸因於這些離子在石墨烯通道內的密集排布所引起的協同移動效應。」張翔教授課題組原博士研究生夏洋說。

該原子尺度離子晶體管還表現出優異、類似於生物通道的可調控能力，這緣於水合離子進入原子尺度石墨烯通道內存在能量勢壘而引起的閾值效應。當通道尺寸比鹼金屬離子更小時，由於能量勢壘的存在，離子在自然狀態下不能自發進入通道內。通過施加門控電壓，離子的水核層會變形或者被部分剝離掉，從而可以克服能量勢壘，使離子能夠進入通道，實現滲透性傳輸。同時，該原子尺度離子晶體管內的鹼金屬離子的選擇透過性順序，與生物鉀離子通道內的一致，反映出人工晶體管和生物離子通道在控制離子傳輸機理上的相似性，即它們都結合了受限制空間內的去水合化效應和靜電相互作用等。

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

論文連結: https://science.sciencemag.org/content/372/6541/501

來源：https://www.hku.hk/press/c_news_detail_22760.html