來源：知社學(xué)術(shù)圈

　　生物體和電子器件一直是兩個(gè)同樣絢爛但老死不相往來的世界。這是由于在動(dòng)物及人體等生物體內(nèi)的信息傳導(dǎo)主要是通過離子遷移來實(shí)現(xiàn)的（氫離子，鉀離子，鈉離子等），而在現(xiàn)代電子器件中（比如電腦中的核心組成部件--場(chǎng)效應(yīng)晶體管），電子（空穴）決定著器件的傳輸和計(jì)算功能。

　　這兩種不同的“語言”（離子和電子）天然地在生物體和電子器件之間制造了一個(gè)巨大的溝壑。

　　在飛速發(fā)展的人工智能時(shí)代，不論是個(gè)性化醫(yī)療的疾病檢測(cè)，抑或是分析生物體的智能信號(hào)，甚至是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互一體化的信號(hào)傳輸（可參考 ghostintheshell），一種可以同時(shí)接收/轉(zhuǎn)換/傳遞離子、電子信號(hào)的界面對(duì)于基礎(chǔ)科學(xué)探索和技術(shù)應(yīng)用拓展都是迫切需要的。

　　最近，由普渡大學(xué)（PurdueUniversity）材料工程學(xué)院 ShriramRamanathan教授課題組領(lǐng)導(dǎo)以及校內(nèi)其他課題組合作，聯(lián)合美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ArgonneNationalLaboratory）等研究團(tuán)隊(duì)的探索發(fā)現(xiàn)，SmNiO3（SNO）鈣鈦礦型鎳酸鹽材料在不消耗任何外界能量的條件下，可以接受來自于生物反應(yīng)的質(zhì)子（氫原子）傳遞，并且改變自身電子能帶結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生電子信號(hào)，實(shí)現(xiàn)離子、電子這兩種不同語言之間的“翻譯”。這一材料可以和硅基半導(dǎo)體體系集成制備現(xiàn)代化電子器件，同時(shí)其特有的量子電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用使器件響應(yīng)非常靈敏，使其在現(xiàn)代電子器件發(fā)展和人機(jī)交互領(lǐng)域具有巨大潛力。該研究成果以“Perovskitenickelatesasbio-electronicinterfaces“為題，于近日發(fā)表在自然通訊雜志：NatureCommunications，10，Articlenumber：1651（2019）。文章第一作者為普渡大學(xué)工程院吉爾布雷思博士后研究員（GilbrethResearchFellow）：張海天博士（Dr。Hai-TianZhang），以及 Ramanathan 教授課題組博士后：左凡博士（Dr。FanZuo）。

　　近年來，Ramanathan 教授課題組重點(diǎn)發(fā)展基于電子電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)（electron-electroncorrelation）的相變材料在神經(jīng)計(jì)算學(xué)，能源和生物模擬方面的應(yīng)用。這種電子電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用使這類材料的光電性能對(duì)外界的刺激十分敏感（溫度，壓力以及化學(xué)摻雜等），從而誘發(fā)金屬-絕緣體相轉(zhuǎn)變，在指數(shù)級(jí)別調(diào)控材料性能。近幾年來，該現(xiàn)象已被巧妙的應(yīng)用于固體氧化物燃料電池（Nature，2016，534，231），神經(jīng)計(jì)算功能模擬（NatureCommunication2017，8，240），海洋生物器官模擬（Nature2018，553，68）以及固態(tài)鋰離子電解質(zhì)（PNAS2018，115，9672）等前沿物質(zhì)-生命-能源交叉科學(xué)領(lǐng)域。

　　在上述工作中，Ramanathan教授課題組發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦型鎳酸鹽材料的電學(xué)性能對(duì)化學(xué)摻雜十分敏感。通過氫離子以及鋰離子的化學(xué)摻雜，可以調(diào)控這類材料的電子濃度，從而引發(fā)莫特電子相變（MottTransition），進(jìn)而在指數(shù)級(jí)別（108-1010 倍）調(diào)控材料的電阻率。而在自然界中離子最豐富來源之一莫過于生物體內(nèi)的反應(yīng)。可以設(shè)想，假如我們可以通過引入自然界中的離子信號(hào)來摻雜鎳酸鹽鈣鈦礦材料，那么一種可以接受自然界的“語言”，并且與此同時(shí)通過金屬絕緣體相變把它轉(zhuǎn)變成電子信號(hào)的器件可以為現(xiàn)代人機(jī)交互發(fā)展提供廣闊的研究和開發(fā)的平臺(tái)。

　　這一研究首次發(fā)現(xiàn)，SNO 材料可以自發(fā)地參與到生物分子以及其生物酶的反應(yīng)過程中，并且實(shí)現(xiàn)氫原子從這個(gè)反應(yīng)到 SNO 晶格化學(xué)摻雜，從而使 SNO 中的鎳離子對(duì)應(yīng)的能帶實(shí)現(xiàn)電子填充，改變載流子濃度從而誘發(fā)莫特相變，進(jìn)而對(duì)生物反應(yīng)產(chǎn)生電信號(hào)感知。研究人員對(duì)乳糖（一種產(chǎn)生生物能量必不可少的糖）以及多巴胺（一種調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)，情緒反應(yīng)和記憶的化學(xué)信使分子）兩種生物酶反應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并且發(fā)現(xiàn)了由生物反應(yīng)在 SNO 材料中誘導(dǎo)的相變。得益于量子材料敏感的“電子-電子關(guān)聯(lián)”作用，這種量子材料對(duì)生物的反應(yīng)敏感性比目前常用的檢測(cè)方法高出約 9 倍。對(duì)于在生物體中應(yīng)用來說更為重要的是，SNO 材料在水溶液以及人體生理環(huán)境中（如人體溫度和體液酸堿度等）都很穩(wěn)定，為這一材料未來的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

（a）SNO 參與乳糖酶反應(yīng)的示意圖，以及反應(yīng)機(jī)理（b）和（c）。

（a）SNO 通過莫特相變從而改變電阻。（b）SNO 對(duì)乳糖反應(yīng)靈敏性和現(xiàn)有其他方法的比較。

　　基于以上新奇現(xiàn)象，該工作亦結(jié)合多種同步輻射先進(jìn)表征手段以及基于第一性原理的分子動(dòng)力學(xué)模擬來理解這一量子材料和生物反應(yīng)之間的作用和交互機(jī)理。阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ArgonneNationalLaboratory）先進(jìn)光源（AdvancedPhotonSource）的物理學(xué)家周華（Dr。HuaZhou）和張展博士（Dr。ZhanZhang）為材料提供了X射線衍射譜（XRD）和X射線吸收譜（XAS）等表征測(cè)試及深度依賴分析。結(jié)果表明通過莫特相變，與酶反應(yīng)直接接觸的 SNO 表面層中的 Ni 電子軌道發(fā)生了電子填充，從而生成了一個(gè)不同于 SNO 的新 GSNO 相，使材料電阻率發(fā)生改變。與此同時(shí)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Sankaranarayanan 團(tuán)隊(duì)基于第一性原理的分子動(dòng)力學(xué)模擬的研究也在熱力學(xué)以及動(dòng)力學(xué)層面解釋和深度研究了這一反應(yīng)。

（a）通過X射線衍射譜（XRD）發(fā)現(xiàn)新相 GSNO 的生成。（b）同步輻射X射線吸收譜（XAS）發(fā)現(xiàn)了鎳能帶結(jié)構(gòu)的改變。（c）和（d）基于分子動(dòng)力學(xué)對(duì)反應(yīng)過程在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)層次的計(jì)算模擬。

　　除此之外，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)還成功地把基于 SNO 的電子器件和實(shí)驗(yàn)小鼠的大腦進(jìn)行了接合，并且靈敏地感知到了來自小鼠大腦在電擊刺激下釋放多巴胺的信號(hào)。這一研究的目標(biāo)是通過一個(gè)潛在的界面來彌合生物世界和電子器件不同的表達(dá)方式。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，這種材料甚至可能帶來“下載”大腦數(shù)據(jù)庫的能力。比如在未來可以將一個(gè)交互式電子設(shè)備放入大腦，這樣當(dāng)自然大腦功能開始惡化時(shí)，一個(gè)人仍然可以從該設(shè)備中找回記憶。這種新型量子材料為制備存儲(chǔ)和傳輸記憶的計(jì)算器件提供了潛在途徑。這一反應(yīng)的另外一個(gè)很大優(yōu)勢(shì)就是自發(fā)進(jìn)行，不依賴外接能耗，從而可以制備非常低功率卻具有高靈敏度的電子產(chǎn)品，對(duì)于某些特定環(huán)境下的使用，比如外太空生命探索具有重要意義。

（a）和（b）基于 SNO 的器件和小鼠大腦結(jié)合的示意圖。（b）小鼠大腦和實(shí)驗(yàn)器件接合的實(shí)物圖。

總結(jié)

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