1947年，肖克萊、巴丁、布拉頓發明了點接觸晶體管，開創了信息時代，不誇張地說，它是現代文明的基石，並於1956年獲得了諾貝爾物理學獎。
在P型和N型半導體之間形成的PN結是固態電子的基本結構，電子通過節界面單向傳輸成為整流，是電子二極管、晶體管和集成邏輯電路的功能基礎。相比之下，生物系統使用離子作為傳感信號載體，傳導和信息處理。例如神經元膜上的離子選擇蛋白不對稱地傳遞鈉和鉀離子來傳播神經衝動。現代電子學對小尺寸的追求已經達到了它的物理極限，離子傳導過程中是否可以設計類似於電子傳導中的p-n結呢？這將帶來全新的離子電路體系！
美國馬薩諸塞大學Ryan C. Hayward教授和哈佛大學Suo Zhigang院士合作開發出利用離子雙層來矯正和切換離子電流的離子彈性體二極管、晶體管。團隊設計了兩種分別帶有陽離子和陰離子的聚電解質網絡，其締合的相反離子可以移動。將主鏈帶有相反離子的彈性體構建成離子雙層（IDL），它能夠在不發生電化學反應的情況下進行整流和“開-關”離子電流。締合的離子移動發生熵驅動損耗會產生離子異質結，其意義可類比PN結。傳統的PN結無法拉伸，而本徵可拉伸離子彈性體異質結則為可拉伸離子器件奠定了基礎。相關論文以“Ionoelastomer junctions between polymer networks of fixed anions and cations”為題，今日發表在《Science》上。
固態離子二極管可以很容易設計，通過兩塊凝膠接觸，每個凝膠都摻雜相反電荷的聚電解質，形成一個不對稱界面。水凝膠中的水易揮發，使得水凝膠耐久性差，大多數柔性二極管還面臨電化學產生的法拉第電流、電解、腐蝕等困擾，影響運行。Kim等人克服了以上困難，通過設計合成一對主鏈帶有相反電荷的離子彈性體，其締合的反離子（離子液體部分）可以隨著濃度梯度或者電場自由移動。利用聚陰離子和聚陽離子之間的界面形成離子雙層（IDL）形成聚陰離子-聚陽離子異質結，製備出本徵可拉伸、穩定和強離子整流能力的固態離子二極管。在異質結處，可移動反離子的熵擴散以IDL的形式形成耗盡層，類似於半導體p-n結中的耗盡層（見圖）。聚電解質鏈上的固定電荷會產生與擴散電流相反的漂移電流，直到平衡，並在聚陰離子-聚陽離子凝膠層之間形成強烈的靜電粘附。作者通過測量耗盡層中的內置電勢並通過當結受到反向或正向偏壓時監測IDL的積聚或坍塌來證實IDL的存在。無溶劑帶電對的非法拉第電流傳導，具有寬的電化學窗口（±3v），避免了水凝膠或溶液基離子二極管電解質的損失。 離子彈性體的可拉伸性使其有望用於未來離子器件、離子邏輯電路。
離子異質結的形成
《Science》同期刊登了Dace Gao和 Pooi See Lee發表的題目為“Rectifying ionic current with ionoelastomers”的評論。Kim等人使用無溶劑離子彈性體制造離子二極管和晶體管，有望用於模擬神經系統，提供本徵可變形電子單元，從而為可拉伸離子電子器件奠定基礎。
Dace Gao和 Pooi See Lee同時指出下一代離子彈性體需要考慮：
1、柔性二極管需要有高的整流比
2、可以採用弱締合的反離子和聚合物鏈，從而獲得更好的導電性
3、開發自癒合、熱穩定的離子導體
4、開發疏水性聚陰離子和聚陽離子防止吸潮
5、異質結周圍是否會由於相反離子結合形成離子液體集聚，是否在某種情況下成鹽，導致二極管被擊穿或者性能發生變化
可變形離子結的機械-電響應為實現刺激響應和可調諧整流提供了一條很有前途的道路。未來完全可以通過數字編程來設計離子電路控制離子、分子移動，類似於場效應晶體管應用，可重構離子電路的離子調製和生物分子的數字化控制——這將成為可能！
https://science.sciencemag.org/content/367/6479/773
評論鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/367/6479/735
添加主編為好友（微信號：polymer-xiang，請備註：名字-單位-職稱-研究方向），邀請您加入學術圈、企業界、碩博聯盟、北美、歐洲、塑料、橡塑彈性體、纖維、塗層黏合劑、油墨、凝膠、生物醫用高分子、高分子合成、膜材料、石墨烯、納米材料、表徵技術、車用高分子、發泡、聚酰亞胺、抗菌、仿生、腫瘤治療等一系列技術交流群。同時可以在菜單中“”，獲取群目錄。
閱讀更多 高分子科學前沿 的文章
