Nedskalering af ioniske transistorer til den ultimative grænse

Den menneskelige hjerne er et stort netværk af milliarder af biologiske celler kaldet neuroner, som affyrer elektriske signaler, der behandler information, resulterer i vores sanser og tanker. Ionkanalerne af atomær skala i hver neuroncellemembran spiller en nøglerolle i sådanne affyringer, der åbner og lukker ionstrømmen i en individuel celle af den elektriske spænding, der påføres over cellemembranen, fungerer som en 'biologisk transistor' svarende til elektroniske transistorer i computere. I årtier, Forskere har erfaret, at biologiske ionkanaler er livets transistorer, der er i stand til at sende ekstremt hurtig og præcist selektiv permeation af ioner gennem selektivitetsfiltre på atomare skala for at opretholde vitale levende funktioner. Imidlertid, det er stadig en stor udfordring til dato at producere kunstige strukturer til at efterligne sådanne biologiske systemer til grundlæggende forståelse og praktiske anvendelser.

Forskere ledet af professor Xiang Zhang, præsidenten for University of Hong Kong (HKU), har udviklet en atom-skala iontransistor baseret på elektrisk gatede grafenkanaler på omkring 3 ångstrøms bredde, som demonstrerede meget selektiv iontransport. De fandt også ud af, at ioner bevæger sig hundrede gange hurtigere i sådan en lille kanal, end de gør i bulkvand.

Dette gennembrud, for nylig rapporteret i Videnskab , giver ikke kun grundlæggende forståelse af hurtig ionsigtning i atomskala, men fører også til meget omskiftelig ultrahurtig iontransport, der kan finde vigtige anvendelser i elektrokemiske og biomedicinske applikationer.

"Denne innovative iontransistor demonstrerer elektrisk omskiftning af ultrahurtig og samtidig selektiv iontransport gennem kanaler på atomare skala som biologiske ionkanaler, der fungerer i vores hjerne, " sagde principforsker professor Xiang Zhang. "Det uddyber vores grundlæggende forståelse af iontransport ved ultralille grænser og vil have en betydelig indvirkning på vigtige applikationer såsom afsaltning af havvand og medicinsk dialyse."

Udviklingen af ​​kunstige ionkanaler ved hjælp af traditionelle porestrukturer er blevet hindret af afvejningen mellem permeabilitet og selektivitet for iontransport. Porestørrelser, der overstiger diametrene af hydratiserede ioner, bevirker, at ionselektiviteten stort set er forsvundet. Forhøjet selektivitet af monovalente metalioner kan opnås med præcist kontrolleret kanaldimension på ångstrøm-skalaen. Imidlertid, disse ångstrøm-skala kanaler udelukker signifikant den hurtige diffusion på grund af sterisk modstand for hydratiserede ioner til at trænge ind i smallere kanalrum.

"Vi observerede ultrahurtig selektiv iontransport gennem grafenkanalen i atomskala med en effektiv diffusionskoefficient så høj som Deff ≈ 2,0 x 10 ^-7 m ² /s." sagde studielederforfatter Yahui Xue, en tidligere postdoktor i professor Zhangs gruppe. "Så vidt vi ved, dette er den hurtigste diffusion observeret i koncentrationsdrevet ionpermeation gennem kunstige membraner og overgår endda den iboende diffusionskoefficient observeret i biologiske kanaler."

Forskere fra Hong Kong og UC Berkeley brugte først gate-spænding til at kontrollere overfladepotentialet af grafenkanaler og realiserede ultrahøj tæthed af ladningspakning inde i disse kanaler. Naboladninger udviser stærk elektrostatisk vekselvirkning med hinanden. Dette resulterer i en dynamisk opladningsligevægtstilstand, således at indsættelsen af ​​en ladning fra den ene ende af kanalen ville føre til udstødning af en anden i den anden ende. Den resulterende samordnede ladningsbevægelse forbedrer i høj grad den samlede transporthastighed og effektivitet.

"Vores in situ optiske målinger afslørede en ladningstæthed så høj som 1,8 x 10 ¹⁴ /cm ² ved den største påførte gate-spænding." sagde Yang Xia, en tidligere ph.d. studerende i professor Zhangs gruppe. "Det er overraskende højt, og vores gennemsnitlige feltteoretiske modellering antyder, at den ultrahurtige iontransport tilskrives meget tæt pakning af ioner og deres samordnede bevægelse inde i grafenkanalerne."

Iontransistoren i atomskala har også demonstreret overlegen koblingsevne, svarende til den i biologiske kanaler, stammer fra en tærskeladfærd induceret af den kritiske energibarriere for hydreret ionindsættelse. Den mindre kanalstørrelse end hydreringsdiametrene for alkalimetalioner skaber en iboende energibarriere, der forbyder ionindtrængning i åbent kredsløb. Ved at anvende gating elektrisk potentiale, hydreringsskallen kan blive forvrænget eller delvist afstribet for at overvinde ion-indgangsenergibarrieren, muliggør ioninterkalation og til sidst permeabel iontransport ud over en perkolationstærskel.

Grafenkanalen i atomare skala var lavet af en enkelt flage af reduceret grafenoxid. Denne konfiguration har fordelen af ​​intakte lagstrukturer til grundlæggende egenskabsundersøgelse og bevarer også stor fleksibilitet til opskalering af fremstilling i fremtiden.

Udvælgelsessekvensen af ​​alkalimetalioner gennem iontransistoren i atomskala viste sig at ligne den for biologiske kaliumkanaler. Dette indebærer også en kontrollerende mekanisme svarende til biologiske systemer, som kombinerer iondehydrering og elektrostatisk interaktion.

Dette arbejde er et grundlæggende gennembrud i studiet af iontransport gennem faste porer i atomare skala. Integrationen af ​​iontransistorer i atom-skala i store netværk kan endda gøre det muligt at producere spændende kunstige neurale systemer og endda hjernelignende computere.