登上Science封面：中國科學(xué)家首創(chuàng)毫米級“大腦晶體管”，打破電子器件與生命系統(tǒng)之間的鴻溝

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

晶體管是現(xiàn)代電子技術(shù)的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)上它們是剛性的、平面的和二維（2D）的，這限制了它們與生物系統(tǒng)的柔軟、不規(guī)則和三維（3D）特性相融合。

隨著有機生物電子學(xué)的發(fā)展，人們對開發(fā)性能優(yōu)異的可拉伸半導(dǎo)體產(chǎn)生了濃厚興趣。迄今為止，大多數(shù)方法依賴于將半導(dǎo)體材料與彈性體混合，雖然其電子性能良好，但這些材料的模量遠高于生物組織，且無法通過離子插入進行調(diào)控。

而現(xiàn)在，一塊能像腦組織一樣柔軟、可拉伸，又能像傳統(tǒng)晶體管一樣精確調(diào)控電信號的半導(dǎo)體材料，從幻想走向現(xiàn)實。

2025 年 11 月 20 日，香港大學(xué)張世明教授團隊與劍橋大學(xué)George G.Malliaras教授團隊合作，在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Science上發(fā)表了題為：Increasing the dimensionality of transistors with hydrogels 的研究論文。

該研究成功研制出了世界首款三維（3D）水凝膠半導(dǎo)體晶體管，其調(diào)制厚度達到毫米級別，同時具備生物組織級別的柔軟度和生物相容性。

這項研究徹底打破了二維（2D）電子器件和三維（3D）生命系統(tǒng)之間的鴻溝，為腦機接口、生物混合傳感和神經(jīng)形態(tài)計算等先進生物電子系統(tǒng)鋪平了道路。

由于高含水量和柔軟的機械性能，大體積水凝膠被用作組織工程的結(jié)構(gòu)支撐，但它們?nèi)狈Π雽?dǎo)體特性。這張封面圖片展示的是三維、毫米厚度且可嵌入細胞的半導(dǎo)體水凝膠纖維。這些纖維可用于構(gòu)建交織的活體晶體管，模擬大腦中真實的神經(jīng)元連接，重新定義了技術(shù)與生命之間的界限。

維度困境，當(dāng)電子設(shè)備遇見生命體

自晶體管發(fā)明以來，電子設(shè)備沿著摩爾定律的軌跡不斷縮小尺寸、提升性能。然而，這些進步始終建立在剛性、平面的二維結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上。當(dāng)我們試圖將電子設(shè)備與生命系統(tǒng)結(jié)合時，矛盾出現(xiàn)了：生物組織是柔軟、不規(guī)則且三維立體的，而晶體管卻是剛性且平面的。

這種根本性的不匹配，使得傳統(tǒng)電子設(shè)備難以與神經(jīng)元等生物組織實現(xiàn)高效、無縫的集成。生命系統(tǒng)是三維的，而電子器件卻是二維的，二者之間的維度鴻溝成為生物電子學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。

水凝膠的蛻變，從生物材料到半導(dǎo)體

研究團隊將目光投向了水凝膠——一種含水量高、具有類似生物組織柔軟性的材料。水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用，但其電子性能一直受限。近年來，氧化還原活性水凝膠的出現(xiàn)讓材料具備了半導(dǎo)體特性，但其調(diào)制厚度始終局限在微米級別。

當(dāng)厚度超過微米尺度時，離子傳輸和離子-電子耦合效應(yīng)會顯著減弱，導(dǎo)致半導(dǎo)體功能失效。這意味著，要實現(xiàn)真正的三維集成，必須突破水凝膠半導(dǎo)體的厚度極限。

研究團隊創(chuàng)新性地設(shè)計了雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠系統(tǒng)：首先構(gòu)建一個多孔的次級水凝膠作為 3D 模板，引導(dǎo)初級氧化還原活性導(dǎo)電水凝膠的 3D 組裝。這種設(shè)計既保證了電子傳輸?shù)倪B續(xù)性，又優(yōu)化了離子傳輸路徑。

三維調(diào)控的奧秘，離子與電子的完美共舞

實現(xiàn)毫米級 3D 調(diào)制的關(guān)鍵在于平衡離子和電子傳輸。團隊通過兩大工程策略攻克了這一難題：

相工程確保形成連續(xù)的 PEDOT+ 相，為電子傳輸提供“高速公路”。通過引入聚丙烯酸（PAA）作為次級網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)電率從 0.9 S/cm 提升至 100 S/cm，提高了超過兩個數(shù)量級。

結(jié)構(gòu)工程精確控制水凝膠的孔隙率，為離子傳輸創(chuàng)造最佳條件。研究團隊開發(fā)了溶劑交換等方法，使孔隙率可在 5%-90% 的寬范圍內(nèi)調(diào)控。

3D 水凝膠半導(dǎo)體的相工程以促進電子傳輸

該研究發(fā)現(xiàn)存在一個最佳孔隙率范圍，對應(yīng)著最高的開關(guān)比（104），這與最先進的有機電化學(xué)晶體管（OECT）性能相當(dāng)。這一發(fā)現(xiàn)表明，在該孔隙率下可實現(xiàn)最佳離子-電子耦合效應(yīng)。

性能超越傳統(tǒng)，毫米厚度實現(xiàn)卓越效能

實驗結(jié)果顯示，3D 水凝膠晶體管表現(xiàn)出卓越的性能。在相同 1 毫米厚度下，水凝膠晶體管的開關(guān)比達到約 104，比參考 OECT 高出三個數(shù)量級。這證明了 3D 水凝膠半導(dǎo)體具有高效的摻雜/脫摻雜效率。

更令人振奮的是，水凝膠半導(dǎo)體的體積電容與厚度保持線性關(guān)系，直至毫米級別，而傳統(tǒng)薄膜在厚度超過約 10 微米時就無法維持這種線性關(guān)系。這意味著在 3D 水凝膠半導(dǎo)體中實現(xiàn)了完整的 3D 調(diào)制。

研究團隊進一步評估了關(guān)鍵性能參數(shù) dμC*，該參數(shù)直接關(guān)聯(lián)晶體管的跨導(dǎo)。水凝膠半導(dǎo)體的 dμC* 達到了 0.1 F·V?1·s?1，顯著高于傳統(tǒng) 2D 架構(gòu)的 OECT。

從材料到系統(tǒng)，構(gòu)建 3D 神經(jīng)形態(tài)電路

憑借可規(guī)模化生產(chǎn)的能力，研究團隊將 3D 水凝膠半導(dǎo)體制成自支撐纖維，構(gòu)建出類腦 3D 神經(jīng)形態(tài)電路。這些電路組裝成 3D 空間互穿的晶體管陣列，用于數(shù)據(jù)計算和分析。

為展示其計算潛力，團隊采用儲層計算（RC）框架，構(gòu)建了基于 3D 水凝膠晶體管陣列的 RC 系統(tǒng)。在手寫數(shù)字識別（handwritten digit recognition）任務(wù)中，該系統(tǒng)實現(xiàn)了高達 91.93% 的識別準(zhǔn)確率，與傳統(tǒng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相媲美。

更令人稱奇的是，即使在任意方向施加高達 30% 的應(yīng)變情況下，該系統(tǒng)仍能保持高預(yù)測精度，展現(xiàn)了其在可拉伸電子領(lǐng)域的巨大潛力。

利用 3D 水凝膠半導(dǎo)體增加晶體管的維度

未來應(yīng)用前景，打通生命與機器的最后壁壘

這項研究的深遠意義在于，它首次實現(xiàn)了在毫米尺度上同時控制軟物質(zhì)的電子、離子和機械性能。這項技術(shù)有望催生新一代生物集成電子設(shè)備，例如高兼容性腦機接口、智能植入式醫(yī)療設(shè)備等。

由于水凝膠半導(dǎo)體具備生物相容性、可拉伸性和滲透性等組織類似特性，它們能夠在電子設(shè)備和生命系統(tǒng)之間建立穩(wěn)健耐用的 3D 接口。研究團隊已初步演示了這些 3D 半導(dǎo)體和晶體管支持雙向生物-晶體管相互作用，包括細胞培養(yǎng)、類器官形成和可編程細胞行為。

隨著三維半導(dǎo)體時代的到來，電子設(shè)備與生命系統(tǒng)之間的界限將變得越來越模糊，一個軟硬結(jié)合、智能互聯(lián)的新世界正在我們眼前展開。這項研究不僅突破了材料科學(xué)的極限，更重新定義了電子與生命融合的未來圖景。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx4514