【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】離子基柔性壓電材料能夠響應(yīng)外部機(jī)械刺激并產(chǎn)生離子電流，同時(shí)克服傳統(tǒng)電子設(shè)備與生物組織之間的模量不匹配問題，從而實(shí)現(xiàn)與神經(jīng)組織的復(fù)雜軟交互。這種材料產(chǎn)生的壓電能量具備高生物相容性，可作為柔性電源，廣泛應(yīng)用于生物傳感器和可植入設(shè)備等領(lǐng)域。然而，現(xiàn)有壓電材料中陽離子和陰離子在應(yīng)力場(chǎng)下傳輸差異受到限制，從而降低了離子電能的轉(zhuǎn)換效率。因此，大多數(shù)壓電系統(tǒng)的功率密度較低，限制了其在能量轉(zhuǎn)換和信號(hào)傳輸中的實(shí)際應(yīng)用。這一問題主要?dú)w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(shí)現(xiàn)。
自然界中，電鰻利用其多細(xì)胞室結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱離子傳輸，從而產(chǎn)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?shù)慕缑胬鄯e效應(yīng)增強(qiáng)了離子傳輸差異性，提高了電器官內(nèi)的凈離子通量。受此啟發(fā)，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所/中國科學(xué)院大學(xué)江雷院士團(tuán)隊(duì)的聞利平研究員和趙紫光副教授，聯(lián)合清華大學(xué)徐志平教授，開發(fā)出一種具有內(nèi)鹽差梯度的兩相異質(zhì)界面材料。通過級(jí)聯(lián)異質(zhì)界面的增強(qiáng)作用，離子的傳輸差異效率得到顯著提升，實(shí)現(xiàn)了高功率密度的壓電能量輸出。與傳統(tǒng)均相離子壓電材料相比，該材料利水凝膠和有機(jī)凝膠微相形成的異質(zhì)界面，建立了具有明顯差異的陰/陽離子的跨界面?zhèn)鬏斈軌?ΔE)。在兩相凝膠體系中，多個(gè)異質(zhì)結(jié)界面進(jìn)一步放大了離子傳輸差異，從而提高了凈離子流的產(chǎn)生效率。此外，內(nèi)部水凝膠微相結(jié)構(gòu)模擬了電鰻陣列排布細(xì)胞的功能，可原位建立穩(wěn)定的內(nèi)鹽差梯度。在壓電過程中，由內(nèi)鹽差梯度產(chǎn)生的化學(xué)勢(shì)進(jìn)一步誘導(dǎo)高通量離子傳輸，顯著提升了壓電能量轉(zhuǎn)換效率。通過構(gòu)建穩(wěn)定的壓電元件，該系統(tǒng)可連續(xù)輸出壓電能量達(dá)24小時(shí)，最大功率密度達(dá)150 W/m³。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)了基于該材料的離子壓電神經(jīng)調(diào)控裝置。該裝置可與癱瘓的迷走神經(jīng)連接，利用壓電信號(hào)成功調(diào)節(jié)嚙齒動(dòng)物的血壓。通過優(yōu)化壓電離子系統(tǒng)的離子特性，異質(zhì)界面門控效應(yīng)能夠進(jìn)一步調(diào)節(jié)離子傳輸效率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)神經(jīng)調(diào)控過程的精確控制。這項(xiàng)研究提供了一種受電鰻啟發(fā)的異質(zhì)界面設(shè)計(jì)策略，為高效離子信號(hào)傳輸和壓電能量轉(zhuǎn)換奠定了基礎(chǔ)，在仿生機(jī)器人、神經(jīng)假體等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。
相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.期刊上，該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部的大力支持。
受電鰻啟發(fā)的內(nèi)鹽差梯度雙相異質(zhì)界面材料實(shí)現(xiàn)高效壓電能量轉(zhuǎn)換
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