【儀表網 研發快訊】離子基柔性壓電材料能夠響應外部機械刺激并產生離子電流，同時克服傳統電子設備與生物組織之間的模量不匹配問題，從而實現與神經組織的復雜軟交互。這種材料產生的壓電能量具備高生物相容性，可作為柔性電源，廣泛應用于生物傳感器和可植入設備等領域。然而，現有壓電材料中陽離子和陰離子在應力場下傳輸差異受到限制，從而降低了離子電能的轉換效率。因此，大多數壓電系統的功率密度較低，限制了其在能量轉換和信號傳輸中的實際應用。這一問題主要歸因均相離電材料中陽離子和陰離子的遷移能壘相近，阻礙了其傳輸差異化的實現。
自然界中，電鰻利用其多細胞室結構實現不對稱離子傳輸，從而產生高電壓用于擊暈獵物或抵御捕食者。在外界刺激下，離子選擇性跨膜傳輸的界面累積效應增強了離子傳輸差異性，提高了電器官內的凈離子通量。受此啟發，中國科學院理化技術研究所/中國科學院大學江雷院士團隊的聞利平研究員和趙紫光副教授，聯合清華大學徐志平教授，開發出一種具有內鹽差梯度的兩相異質界面材料。通過級聯異質界面的增強作用，離子的傳輸差異效率得到顯著提升，實現了高功率密度的壓電能量輸出。與傳統均相離子壓電材料相比，該材料利水凝膠和有機凝膠微相形成的異質界面，建立了具有明顯差異的陰/陽離子的跨界面傳輸能壘(ΔE)。在兩相凝膠體系中，多個異質結界面進一步放大了離子傳輸差異，從而提高了凈離子流的產生效率。此外，內部水凝膠微相結構模擬了電鰻陣列排布細胞的功能，可原位建立穩定的內鹽差梯度。在壓電過程中，由內鹽差梯度產生的化學勢進一步誘導高通量離子傳輸，顯著提升了壓電能量轉換效率。通過構建穩定的壓電元件，該系統可連續輸出壓電能量達24小時，最大功率密度達150 W/m³。研究團隊進一步開發了基于該材料的離子壓電神經調控裝置。該裝置可與癱瘓的迷走神經連接，利用壓電信號成功調節嚙齒動物的血壓。通過優化壓電離子系統的離子特性，異質界面門控效應能夠進一步調節離子傳輸效率，從而實現對相關神經調控過程的精確控制。這項研究提供了一種受電鰻啟發的異質界面設計策略，為高效離子信號傳輸和壓電能量轉換奠定了基礎，在仿生機器人、神經假體等領域具有潛在應用價值。
相關研究結果發表在J. Am. Chem. Soc.期刊上，該工作得到了國家自然科學基金委、科技部的大力支持。
受電鰻啟發的內鹽差梯度雙相異質界面材料實現高效壓電能量轉換
所有評論僅代表網友意見，與本站立場無關。