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訾竣喆

無(wú)論科學(xué)家們是否在想辦法解決“在人工皮膚中植入傳感器”后的柔韌性問(wèn)題，其中的電子電路都必須要接受我們汗水的考驗(yàn)，而硅質(zhì)芯片顯然并不能很好的與汗液和睦相處。

如今，一個(gè)國(guó)際科研小組已經(jīng)開發(fā)出了一種能夠完美適水的邏輯電路和傳感器。更為驚奇的是，該系統(tǒng)完全不需要半導(dǎo)體的參與。研究人員選擇將有機(jī)分子作為“外套”來(lái)包裹住里面的金質(zhì)納米粒子。他們?yōu)檫@個(gè)電路系統(tǒng)起了個(gè)名字——“chemoelectronic”電路。

該團(tuán)隊(duì)由北京國(guó)家納米科學(xué)中心、美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校、美國(guó)NuMat Technologies公司、韓國(guó)UNIST公司的科學(xué)家組成，并在《自然納米技術(shù)》期刊上發(fā)表了關(guān)于chemoelectronic的文章。

他們用四種有機(jī)分子隨機(jī)組成的大量“配體”包裹住金質(zhì)納米粒子，創(chuàng)造出了獨(dú)一無(wú)二的chemoelectronic。每個(gè)配體在入水或是潮濕的環(huán)境中都能產(chǎn)生一個(gè)不同的電荷相關(guān)（Charge-related）效果。例如某個(gè)配體溶解后就會(huì)釋放出正離子，并留下納米顆粒包裹住負(fù)離子。而相對(duì)的，也會(huì)存在某個(gè)配體會(huì)使納米顆粒包裹正離子并釋放負(fù)離子。

而后者結(jié)合兩種類型的金屬納米顆粒與電荷相反的配體，就會(huì)創(chuàng)建出一種能夠模擬出PN結(jié)的化學(xué)模型。

它們能夠?qū)в姓娂{米的復(fù)合物聚合到一邊，把帶負(fù)電荷的復(fù)合物聚集到另一側(cè)。而離子將能夠在它們之間自由移動(dòng)，正離子與負(fù)離子互相吸引來(lái)到另一邊，周而復(fù)始。

這樣就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備中的電荷分布不均，形成界面電壓。而界面電壓則能夠形成一種脫離設(shè)備的“偏好”——在電子的轉(zhuǎn)移過(guò)程中偏向另一個(gè)方向，就像二極管那樣。

“配體四周包圍著自由運(yùn)動(dòng)的抗衡離子。關(guān)鍵在于要使這些移動(dòng)中的抗衡離子能夠在電場(chǎng)中得到應(yīng)用，并以此建立離子梯度，最終使得電子流經(jīng)納米粒子。”——Unist Bartosz Grzybowski

這個(gè)系統(tǒng)有可能將會(huì)成為可穿戴傳感器領(lǐng)域中最理想的應(yīng)用技術(shù)之一。Chemoelectroinc電路中聚合物電子的轉(zhuǎn)換速率變化，可以直接通過(guò)計(jì)算檢測(cè)出每分鐘在化學(xué)層面上的變化，而這些變化只需要很少的能量就能被轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)，并靈活的進(jìn)行邏輯運(yùn)算。

但這項(xiàng)技術(shù)中最吸引人的還是——chemoelectronic電路在濕咸環(huán)境下極強(qiáng)的適應(yīng)性。

研究人員可以通過(guò)用四種不同的配體納米顆粒作為外套，來(lái)制作出不同的傳感器，用于測(cè)量濕度、氣體和金屬離子等。

為了讓這些傳感器和電路能夠被廣泛采用，他們還需要進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)換速率以及耐用性。目前，當(dāng)這種傳感器在從潮濕的環(huán)境進(jìn)入干燥環(huán)境之中時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)脫水開裂。

“這些電路其實(shí)非常簡(jiǎn)易。人們需要做的只是把他們從水或醇中解放。然而如果真正想要在現(xiàn)實(shí)世界中使用的話，仍將需要一些更好的噴墨設(shè)備以及更專業(yè)的電氣工程師來(lái)完成，我們只是一群化學(xué)家。”——Grzybowski

盡管存在著諸多挑戰(zhàn)，這個(gè)神奇的電路看起來(lái)仍然是一種非常有潛力的解決方案。不僅僅是因?yàn)槠溥壿嬰娐纺軌蛟诔睗竦沫h(huán)境中使用，對(duì)于如何構(gòu)建納米二極管和晶體管也是一種新的突破。

“由于反離子梯度存在于任何單一的納米粒子之中，所以只需要基于單個(gè)納米粒子就可以構(gòu)成二極管或是晶體管。此外，由于納米粒子也具有光反應(yīng)的特性，所以我們正在探究把光控電路加入這一系統(tǒng)的可行性。”——Grzybowski