Natl. Sci. Rev. | 祝贺科研助理张米良发表研究型文章“离子多样性调控的可编程纳米流体类脑器件”！

近日，南方科技大学生物医学工程系肖凯副教授、中国科学院兰州化学物理研究所助理研究员徐国恒和深圳职业技术大学刘俊俊博士在National Science Review 期刊上合作发表了题为“Ionic species programmable synaptic plasticity in multimodal nanofluidic devices”的研究型文章。

该研究受生物系统离子通道（NaK离子通道）启发，构建以金纳米颗粒堆叠形成的限域空间，通过调控离子属性（离子浓度、种类等）探索离子传输行为与纳米流体器件电学性能之间的底层关系，实现了单器件的多功能电学响应（电容迟滞回线、电感迟滞回线），进一步，构建了截止频率可调的高通滤波器电路，为拓展纳米流体器件与电路设计做出了重要贡献。

图1 离子多样性调控的可编程纳米流体类脑器件

纳米尺度离子输运因其高生物相容性与可与生命体系进行双向信息交互的优势，被认为是连接生物系统与人工计算平台的重要桥梁；然而，构建复杂的纳米流体离子器件长期面临“功能单一、机理不清”的瓶颈：多数纳米流体器件往往只能对应电阻/电容/忆阻等单一元件功能，而在同一架构内同时实现由电双层、离子对、吸附、浓差极化等引起的多种滞回曲线相当罕见；同时利用离子种类多样性扩展器件功能的方向仍缺乏系统探索。

图2 基于离子多样性实现的可调单向可塑性和高通滤波器

在这项工作中，我们构建了一种离子多样性调控的可编程纳米流体类脑器件，并串联实现高通滤波器的功能。该研究利用聚碳酸酯径迹蚀刻膜（PCTE）中原位氧化还原形成的金纳米颗粒堆叠纳米通道，在强限域条件下实现了可调控的离子输运行为，低浓度下离子更趋于点电荷状态并在金表面形成EDL主导的电容响应；高浓度下离子更易形成Bjerrum离子对并在电场下发生解离，呈现“化学电感”特征的电感滞回曲线，并用离子间距与Bjerrum length的相对关系建立普适模型。同时我们利用不同离子与纳米通道之间的相互作用力差异仅通过改变离子种类实现了可编程的单向可塑性（PPF和PPD）与截止频率可调的滤波器功能。该工作为探明限域空间中的离子输运行为做出了重要贡献并提供了类脑计算电路设计新范式。

原文：Ionic species programmable synaptic plasticity in multimodal nanofluidic devices.

链接： https://doi.org/10.1093/nsr/nwag036