來源：知社學術圈

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

　　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巨大的溝壑。

　　在飛速發(fā)展的人工智能時代，不論是個性化醫(yī)療的疾病檢測，抑或是分析生物體的智能信號，甚至是實現人機交互一體化的信號傳輸（可參考 ghostintheshell），一種可以同時接收/轉換/傳遞離子、電子信號的界面對于基礎科學探索和技術應用拓展都是迫切需要的。

　　最近，由普渡大學（PurdueUniversity）材料工程學院 ShriramRamanathan教授課題組領導以及校內其他課題組合作，聯合美國能源部阿貢國家實驗室（ArgonneNationalLaboratory）等研究團隊的探索發(fā)現，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的質子（氫原子）傳遞，并且改變自身電子能帶結構，從而產生電子信號，實現離子、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體體系集成制備現代化電子器件，同時其特有的量子電子強關聯作用使器件響應非常靈敏，使其在現代電子器件發(fā)展和人機交互領域具有巨大潛力。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 教授課題組重點發(fā)展基于電子電子強關聯（electron-electroncorrelation）的相變材料在神經計算學，能源和生物模擬方面的應用。這種電子電子強關聯作用使這類材料的光電性能對外界的刺激十分敏感（溫度，壓力以及化學摻雜等），從而誘發(fā)金屬-絕緣體相轉變，在指數級別調控材料性能。近幾年來，該現象已被巧妙的應用于固體氧化物燃料電池（Nature，2016，534，231），神經計算功能模擬（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（PNAS2018，115，9672）等前沿物質-生命-能源交叉科學領域。

　　在上述工作中，Ramanathan教授課題組發(fā)現鈣鈦礦型鎳酸鹽材料的電學性能對化學摻雜十分敏感。通過氫離子以及鋰離子的化學摻雜，可以調控這類材料的電子濃度，從而引發(fā)莫特電子相變（MottTransition），進而在指數級別（108-1010 倍）調控材料的電阻率。而在自然界中離子最豐富來源之一莫過于生物體內的反應。可以設想，假如我們可以通過引入自然界中的離子信號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”，并且與此同時通過金屬絕緣體相變把它轉變成電子信號的器件可以為現代人機交互發(fā)展提供廣闊的研究和開發(fā)的平臺。

　　這一研究首次發(fā)現，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過程中，并且實現氫原子從這個反應到 SNO 晶格化學摻雜，從而使 SNO 中的鎳離子對應的能帶實現電子填充，改變載流子濃度從而誘發(fā)莫特相變，進而對生物反應產生電信號感知。研究人員對乳糖（一種產生生物能量必不可少的糖）以及多巴胺（一種調節(jié)運動，情緒反應和記憶的化學信使分子）兩種生物酶反應進行了實驗，并且發(fā)現了由生物反應在 SNO 材料中誘導的相變。得益于量子材料敏感的“電子-電子關聯”作用，這種量子材料對生物的反應敏感性比目前常用的檢測方法高出約 9 倍。對于在生物體中應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際應用奠定了基礎。

（a）SNO 參與乳糖酶反應的示意圖，以及反應機理（b）和（c）。

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

　　基于以上新奇現象，該工作亦結合多種同步輻射先進表征手段以及基于第一性原理的分子動力學模擬來理解這一量子材料和生物反應之間的作用和交互機理。阿貢國家實驗室（ArgonneNationalLaboratory）先進光源（AdvancedPhotonSource）的物理學家周華（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）等表征測試及深度依賴分析。結果表明通過莫特相變，與酶反應直接接觸的 SNO 表面層中的 Ni 電子軌道發(fā)生了電子填充，從而生成了一個不同于 SNO 的新 GSNO 相，使材料電阻率發(fā)生改變。與此同時阿貢國家實驗室Sankaranarayanan 團隊基于第一性原理的分子動力學模擬的研究也在熱力學以及動力學層面解釋和深度研究了這一反應。

（a）通過X射線衍射譜（XRD）發(fā)現新相 GSNO 的生成。（b）同步輻射X射線吸收譜（XAS）發(fā)現了鎳能帶結構的改變。（c）和（d）基于分子動力學對反應過程在熱力學和動力學層次的計算模擬。

　　除此之外，實驗團隊還成功地把基于 SNO 的電子器件和實驗小鼠的大腦進行了接合，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。這一研究的目標是通過一個潛在的界面來彌合生物世界和電子器件不同的表達方式。從長遠來看，這種材料甚至可能帶來“下載”大腦數據庫的能力。比如在未來可以將一個交互式電子設備放入大腦，這樣當自然大腦功能開始惡化時，一個人仍然可以從該設備中找回記憶。這種新型量子材料為制備存儲和傳輸記憶的計算器件提供了潛在途徑。這一反應的另外一個很大優(yōu)勢就是自發(fā)進行，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品，對于某些特定環(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合的示意圖。（b）小鼠大腦和實驗器件接合的實物圖。

總結

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