研究人员开发了一种原子级离子晶体管，它基于大约3埃宽的电子门控石墨烯通道，展示了高度选择性的离子传输。他们还发现，离子在这么小的通道中移动的速度比在大体积水中快一百倍。这一突破实现了高度可切换的超快离子输运，可以在电化学和生物医学应用中加以重要的应用。
人类的大脑是一个由数十亿被称为神经元的生物细胞组成的巨大网络，它发出处理信息的电信号，从而产生我们的感官和思想。每个神经元细胞膜上原子级的离子通道在这样的触发过程中起着关键作用，通过施加在细胞膜上的电压，离子流在单个细胞中打开或关闭，就像一个“生物晶体管”，类似于计算机中的电子晶体管。几十年来，科学家们已经认识到，生物离子通道是生命的晶体管，能够极快且精确地通过原子级选择性过滤器对离子进行选择性渗透，以维持生命的重要功能。然而，迄今为止，制造人工结构来模拟这种生物系统，以达到基本理解和实际应用的目的，仍然是一个巨大的挑战。
由香港大学校长张翔教授领导的研究人员开发了一种原子级离子晶体管，它基于约3埃宽的电控石墨烯通道，展示了具有高度选择性的离子传输能力。他们还发现，离子在这么小的通道中移动的速度比在大体积水中快一百倍。
最近发表在《科学》杂志上的这一突破，不仅为原子级的快速离子筛分提供了基础理解，还实现了高度可切换的超快离子输运，可以在电化学和生物医学应用中得到重要应用。
首席研究员张翔教授说:“这种创新的离子晶体管展示了通过原子级的通道进行超快的电子切换，同时进行选择性离子传输，就像我们大脑中的生物离子通道一样。它加深了我们对超小极限离子输运的基本理解，并将显著影响海水淡化和医疗透析等重要应用。”
利用传统的孔隙结构开发人工离子通道，由于离子输运渗透率和选择性之间的平衡而受到阻碍。超过水合离子直径的孔径使离子选择性很大程度上消失。提高一价金属离子的选择性可以在埃级精确控制通道尺寸。然而，由于水合离子进入狭窄通道空间的空间阻力，这些埃级通道显著地阻止了快速扩散。
该研究的第一作者、张教授团队的前博士后研究员薛亚辉表示:“我们观察到，在原子级的石墨烯通道中，有效扩散系数高达Deff≈2.0 x 10-7 m2/s。就我们所知，这是在浓度驱动离子通过人工膜时观察到的最快的扩散，甚至超过了在生物通道中观察到的固有扩散系数。”
来自香港和加州大学伯克利分校的科学家首次使用栅极电压来控制石墨烯通道的表面电势，并在这些通道内实现了超高密度的电荷堆积。相邻的电荷之间表现出很强的静电相互作用。这导致了一个动态充电平衡状态，从通道一端插入一个电荷将导致另一端排出另一个电荷。由此产生的协同电荷运动大大提高了整体运输速度和效率。
张教授团队的前博士生杨霞说:“我们的原位光学测量显示，在最大的栅极电压下，电荷密度高达1.8 x 1014 /cm2。”“它令人惊讶地高，我们的平均场理论模型表明，超快离子输运归因于离子的高密度堆积和它们在石墨烯通道内的协同运动。”
原子级离子晶体管也表现出了优越的开关能力，类似于生物通道，源于水合离子插入的临界能量势障引起的阈值行为。在开路条件下，碱金属离子的水化通道尺寸小于其水化直径，形成了一种内在的能垒，阻止离子进入。通过施加门控电势，水化壳可以被扭曲或部分剥离，以克服离子进入能垒，从而实现离子嵌入，并最终实现渗透阈值之外的可渗透离子传输。
原子级的石墨烯通道由还原的氧化石墨烯薄片制成。这种配置的优点是完整的层结构可用于基本性能研究，并且还保留了较大的灵活性，可在将来按比例放大制造。
碱金属离子通过原子级离子晶体管的选择顺序与生物钾通道相似。这也意味着一个类似于生物系统的控制机制，该机制结合了离子脱水和静电相互作用。
这项工作是原子级固体孔隙中离子输运研究的一个重要突破。将原子级离子晶体管集成到大规模网络中，甚至可以制造出令人惊艳的人工神经系统，甚至类似大脑的计算机。
