離子電子材料可以展示生命信號是如何與電子器件相結(jié)合的。電流每秒鐘都會流經(jīng)生物體柔軟、有彈性、充滿水分的細胞，使我們能夠思考、移動并感知這個世界。這一切都要歸功于離子。當感官受到刺激時，離子會被觸發(fā)穿過細胞膜，由蛋白質(zhì)通道精確控制，產(chǎn)生電流，通過神經(jīng)向大腦發(fā)出信號。
而電子設備如智能手機、電腦、顯示器等，依賴于嵌入剛性材料中的金屬導線上的電子和空穴的相互作用產(chǎn)生的電流。離子電路、電子電路和材料有天壤之別。但在某種程度上，離子和電子已經(jīng)在某些設備中共存了幾十年，如電池、超級電容器和電化學電池。這些都依賴于離子和電子電荷的相互轉(zhuǎn)化。然而，離子和電子信號正越來越多地與柔性、可拉伸導電聚合物結(jié)合在一起，這種聚合物被稱為“離子電子（ionotronic）材料”（離電材料）。
自然界只有一種電子，但卻有無數(shù)種離子
在過去的20多年里，人們開始意識到離子可以帶來非常規(guī)的特性。美國馬薩諸塞大學研究軟聚合物材料的Ryan Hayward表示，自然界只有一種電子，但卻有無數(shù)種離子。這意味著功能可以附加在離子上，從而影響材料的光學特性、表面能量甚至生物活性。
越來越多的研究揭示了離子和電子的世界是如何被整合在一起的。離子材料能夠以類似生命的方式對環(huán)境變化作出反應，這可能是實現(xiàn)人機一體化的關鍵。這種技術(shù)最終可能會發(fā)展為仿生軟機器人、智能可穿戴傳感器、半機械人組織到人機界面、電子植物和生物分子的數(shù)字化控制等各種技術(shù)。那么研究人員是如何將離子和電子結(jié)合在一起的呢?
腦電波
英國劍橋大學研究大腦界面生物電子學的George Malliaras說：“從某種意義上說，我們想要教電子學一門外語，離子的語言。復合導體材料可以實現(xiàn)生物世界和微電子世界之間的轉(zhuǎn)換和交流?！?/p>
近年來，一種復合導體得到了廣泛應用，它是一種柔性的、生物相容性好的導電聚合物：摻雜PSS或聚（苯乙烯磺酸鹽）的PEDOT（聚（3，4-乙烯二氧噻吩））。PEDOT提供共軛聚合物的電導率，PSS實現(xiàn)離子傳輸。在離子導體和電子導體的內(nèi)部界面上形成的雙電層可以實現(xiàn)信號耦合。
Malliaras團隊已經(jīng)開發(fā)了利用Pedot:PSS薄膜的設備，為腦損傷和疾病尋找新的療法。作為BrainCom的成員（BrainCom是一個歐盟合作研究項目，開發(fā)神經(jīng)假體設備，以恢復患者的交流），Malliaras研究微創(chuàng)復合導體電極和晶體管，利用皮質(zhì)電成像(ECoG)將大腦信號解碼為語言。
如果在大腦中植入一個設備，就已經(jīng)通過了血腦屏障
ECoG通常使用毫米寬的金屬電極記錄許多神經(jīng)元產(chǎn)生的平均信號。這種電極可用于有語言障礙的患者。將它們置于大腦皮層處理語言的部分，并讓患者想象單詞，產(chǎn)生的ECoG記錄經(jīng)過計算機處理后可以預測單詞并通過語音合成器發(fā)聲。
Malliaras使用復合導電聚合物系統(tǒng)可以使電極小得多（幾微米寬），并且精確地放置在大腦表面以捕捉單個神經(jīng)信號。在臨床前試驗中，Mallarias制備的電極在語言質(zhì)量上有了巨大的突破。它們還可以為大腦控制的假肢和外骨骼提供更好的神經(jīng)連接。
然而，除了轉(zhuǎn)換離子信號外，Malliaras還想通過可植入離子設備在電場下利用電泳泵送離子傳遞藥物，因為許多藥物能以離子形式存在。藥物在大腦中的遞送具有很大挑戰(zhàn)，因為血腦屏障阻礙了現(xiàn)有98%的藥物。如果在大腦中植入一種設備，就越過了血腦屏障，擴大可使用藥物種類。
更重要的是，由于這種設備可以直接將藥物遞送到受影響的區(qū)域，因此大大降低了給藥量。這意味著，通常毒性太大而不能通過系統(tǒng)給藥的藥物，比如進入血液的藥物，現(xiàn)在就可以使用了。Malliaras和同事近來設計了一種微流體離子泵設備，可以將藥物離子從儲存庫轉(zhuǎn)移到大腦，模仿細胞中的突觸轉(zhuǎn)移，成功阻止和預防小鼠癲癇發(fā)作(Science Advances, 2018, 4(8):eaau1291)。目前，這個概念已經(jīng)擴展到靶向化療治療腦瘤的領域。
植物植入體
類似的離子泵裝置也被用于與植物進行通訊和控制。去年，瑞典林克平大學的Eleni Stavrinidou和同事首次成功地將基于微小的玻璃毛細管纖維的有機電子離子泵植入煙草植物的軟組織中。
這使得研究人員能夠在細胞水平上精確地控制和遞送純脫落酸離子（一種自然調(diào)節(jié)植物對壓力反應的激素）到葉片中，為了解這種激素是如何觸發(fā)葉片中負責光合作用和蒸騰作用的氣孔的閉合提供了新的見解。
了解植物如何應對環(huán)境壓力是很重要的，特別是在氣候變化時期，因為我們有很多干旱、高溫或極端天氣現(xiàn)象。希望通過這個技術(shù)進行更多的動力學研究，從而更好地了解植物生理學。這樣做也可以幫助優(yōu)化作物生長，或者指導基因改造以改善植物利用水分的方式。
2015年，Stavrinidou和同事用一種以土壤為基礎的導電材料將玫瑰變成了電子電路。他們給切下的植物喂食含有這種聚合物的溶液。一旦進入，植物的輸水木質(zhì)部就提供了管狀模板，而它的生化反應使聚合物在莖中形成水凝膠狀的線路。
此后，該團隊進一步開發(fā)了新的水溶性低聚物， EDOT-S，使用EDOT的功能單元(Pedot的單體單元)作為外部端基插入噻吩丁酸。由于ETE-S的分子較小，它會聚合并分布到玫瑰木質(zhì)的每個角落，利用導線便可以連接整個植物。
由于電子電導率和離子電導率之間的相互作用，研究人員發(fā)現(xiàn)植物可以變成晶體管和超級電容器，以離子電荷的形式存儲能量。但目前還需要進一步工作以穩(wěn)定電荷，但這是一個有趣的概念。Stavrinidou表示：我們正在研究如何從植物中以糖的形式獲取能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能。這一概念可以成為利用植物(甚至樹木)作為生物工廠儲存和分配能源的能源收集技術(shù)的基礎。
柔性和可拉伸性能
組織和器官本質(zhì)上是由水凝膠組成，是含有固體狀聚合物網(wǎng)絡的離子溶液。合成水凝膠最早在20世紀60年代被發(fā)明，此后被廣泛應用于隱形眼鏡、高吸水性一次性尿布等不同的領域，最近又被用于人造組織。然而，研究人員已經(jīng)開始使用導電聚合物如PEDOT:PSS使其具備導電性。由于具有生物相容性、自愈性、透明和彈性，這些材料在人工肌肉、皮膚和突觸、可重寫顯示器和柔性電池等許多應用領域都很受歡迎。
然而，在高導電性、生物相容性、堅固性和延展性之間取得完美的平衡一直是很難實現(xiàn)的。一個性能的增強往往伴隨著其他性能的下降。新加坡南洋理工大學陳曉東等研究人員正努力克服這些挑戰(zhàn)。
他們最近開發(fā)了一種堅韌的、類似橡膠的離子電子水凝膠導線。它由一種硬度高、密度大的聚乙烯醇(PVA)水凝膠制成，具有一定的機械強度。將其浸泡在氯化鈉溶液中，然后嵌入到具有生物相容性的羥丙基纖維素纖維中，在提高離子電導率的同時調(diào)整力學性能。
研究人員通過3D打印制備機器手，并在食指埋入水凝膠線模擬人工韌帶。當機器手指彎曲時，即使水凝膠導線被拉伸，它仍然可以繼續(xù)提供電流點亮指尖的LED燈。這意味著水凝膠導線可以在擴張狀態(tài)下傳遞穩(wěn)定的信號，保證肌肉運動的持續(xù)監(jiān)測。它也可以作為一種人工神經(jīng)，正如該團隊通過將壓力傳感器集成到指尖，模擬觸覺感知的神經(jīng)過程所展示的那樣，展示了當水凝膠因手指彎曲而被拉伸到不同程度時，LED內(nèi)是如何產(chǎn)生不同的觸覺信號的。
但離子水凝膠總是需要某種形式的電子傳導，用以無縫連接外部設備。這需要在水凝膠中添加剛性材料，因此會降低水凝膠的柔性和可拉伸性。陳曉東開發(fā)了一種水凝膠-彈性體復合材料解決這個問題——類似于連接柔軟肌腱和堅硬骨頭的結(jié)締組織，在柔性離子電學和剛性電子學之間架起了橋梁。
復合材料包括含有導電金納米膜的熱塑性聚氨酯多孔彈性體網(wǎng)。將其浸泡在水凝膠前驅(qū)體中并加熱固化，它可以產(chǎn)生機械柔軟、自粘合和高導電性的電極。這種復合電極可以作為皮膚上的高保真電極，用于記錄電生理信號，包括肌電圖和心電圖。
固態(tài)
盡管水凝膠顯示出很大的潛力，它們也有缺點，比如壽命和可靠性很容易受到電解液蒸發(fā)和泄漏的影響，這在可拉伸或變形材料中尤其容易發(fā)生。
（Source: ? Hyeongjun Kim and Ryan Hayward）
于是，Hayward和同事開發(fā)了完全固態(tài)的可拉伸離子導電彈性體或者離子彈性體代替水凝膠，不需要液體電解質(zhì)。這些材料依賴于帶電聚合物的軟網(wǎng)絡，其中反離子是唯一可移動的物種。此外，設備運行時不需要任何電化學反應，可以緩解設備長期穩(wěn)定性差的問題。
他們制備了兩種離子彈性體，一種聚陰離子和一種聚陽離子。在聚陰離子中，帶負電荷的硫酸鹽基團固定在彈性體鏈上，帶正電荷的咪唑反離子可以隨濃度梯度或電場的變化而自由移動。在聚陽離子中，陰離子是固定的，陽離子可以移動。
這意味著每一種離子彈性體只允許電正電荷或負電荷的傳輸，類似于分別傳輸空穴和電子的p型和n型半導體。隨后，Hayward的團隊開始研究離子彈性體是否能形成類似于電子線路元件的離子裝置。研究人員發(fā)現(xiàn)，當兩個相反的彈性體層連接在一起形成一個接點時，它們的行為就像一個二極管，允許電流從單一方向流過。他們還通過將聚陽離子層夾在兩個聚陰離子層之間制備晶體管。這種裝置可以成為離子數(shù)字邏輯和電子計算存儲器的基礎。
就速度或空間密度而言，離子可能永遠不會與電子競爭，但使用離子傳輸信號以及進行計算有許多潛在優(yōu)勢。這些設備在變形后仍能正常工作，但其特性會發(fā)生變化，這意味著利用力學和離子反應之間的耦合可能開發(fā)出新型傳感器或控制元件。此外，研究小組還意外地發(fā)現(xiàn)，當電離彈性體被拉伸和壓縮時，會產(chǎn)生電子輸出信號，表明它可以用來從自身運動或周圍環(huán)境中獲取機械能。
然而，Hayward對離子彈性體的電粘合性能很感興趣。最新工作表明，只需1 V，相反的離子彈性體就可以可逆地快速粘在一起。其他導電膠的工作電壓通常在1000V左右，這個巨大的差異也意味著安全問題。但這一發(fā)現(xiàn)給研制安全、高效、堅固的執(zhí)行器系統(tǒng)帶來了希望，使軟機器人能夠處理精細的樣品。
這樣的應用可能還很遙遠，而離子電子學還處于起步階段。但是電子學這個詞直到20世紀40年代才開始被使用。如果以目前離子電子材料的發(fā)展速度為依據(jù)，誰知道它們最終會使哪些模擬生活的技術(shù)成為可能呢?
Hayward表示，目前還很難說這些材料的最終去向，我們開始這項工作主要是受好奇心的驅(qū)使，想看看是否能開發(fā)出一種新型的軟離子導電裝置。但在電子設備問世之初，沒有人能預測到它們會帶來什么變化，所以希望在未來幾年里，我們會看到這些材料帶來一些非常引人注目的新應用。
全文鏈接：
https://www.chemistryworld.com/features/using-ions-to-connect-life-to-machines/4012219.article
