【二中優(yōu)秀學(xué)子】凝膠破界?腦芯筑夢

【二中優(yōu)秀學(xué)子】凝膠破界?腦芯筑夢（二）——二中優(yōu)秀學(xué)子、青年科學(xué)家雷霆團隊的科技突破與強國擔當

本網(wǎng)三門峽訊 王紅權(quán) 通訊員 周紅民

優(yōu)秀學(xué)子?科研成果

10月15日，北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院雷霆團隊研發(fā)的“N型半導(dǎo)體水凝膠”榮獲“Chip 2024中國芯片科學(xué)十大進展獎。

這份榮譽不僅是對一項技術(shù)的認可，更是中國科研力量在芯片與生物電子交叉領(lǐng)域崛起的縮影——雷霆團隊以凝膠為媒，在微米級的芯片電路與納米級的神經(jīng)信號間架起橋梁，為我國芯片技術(shù)突破與腦機接口產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入了“中國芯”的強勁動能。

圖2. P(PyV)-H的半導(dǎo)體特性圖3.多重網(wǎng)絡(luò)水凝膠的制備和性能

一、N 型半導(dǎo)體水凝膠：破解腦機芯片材料瓶頸

全球芯片產(chǎn)業(yè)長期囿于“剛性材料難兼容生物場景、凝膠材料缺乏半導(dǎo)體性能”的兩難局面，

水凝膠由三維交聯(lián)的親水聚合物網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，具備保留大量水分的能力。相較于剛性無機材料和干燥聚合物，水凝膠的機械性能可以廣泛調(diào)整，適用于模仿軟骨、皮膚、肌肉及大腦等多種生物組織。其結(jié)構(gòu)多樣且易于改性，在生物功能工程中展現(xiàn)出杰出的多功能性，包括刺激響應(yīng)性和優(yōu)異的界面特性，應(yīng)用廣泛于傳感器、致動器、涂層、聲探測器、光學(xué)和電子學(xué)領(lǐng)域。

盡管具有這些優(yōu)點，但由于缺乏半導(dǎo)體特性，它們在電子學(xué)中的應(yīng)用一直受到限制，傳統(tǒng)上只能用作絕緣體或?qū)w。

圖1.基于P(PyV)的單網(wǎng)絡(luò)半導(dǎo)體水凝膠

雷霆團隊的N型半導(dǎo)體水凝膠精準破局。該技術(shù)以水溶性陽離子共軛高分子為核心，通過交聯(lián)工藝構(gòu)建三維多孔親水網(wǎng)絡(luò)，首次實現(xiàn)優(yōu)異生物界面與高性能半導(dǎo)體性能的共生，填補了有機高分子材料在生物電子領(lǐng)域的空白。

其核心創(chuàng)新在于雙向融合：該技術(shù)繼承了水凝膠的柔性與生物相容性，力學(xué)模量僅10~100kPa，與人體組織高度匹配，徹底區(qū)別于傳統(tǒng)硅基芯片的剛性特質(zhì)；另一方面依托共軛高分子設(shè)計，實現(xiàn)了穩(wěn)定電子傳輸與信號轉(zhuǎn)換，打破了傳統(tǒng)水凝膠絕緣、有機半導(dǎo)體力學(xué)和生物學(xué)性能兼容差的行業(yè)痛點。

在應(yīng)用端，該材料可作為柔性半導(dǎo)體材料，具有廣泛的潛在應(yīng)用場景。如，可以適配可穿戴器件，能夠貼合皮膚減少運動導(dǎo)致的信號干擾，用于植入式醫(yī)療器械場景，可以減少免疫排異反應(yīng)，實現(xiàn)持續(xù)體內(nèi)生物電和化學(xué)信號檢測。更具戰(zhàn)略價值的是，團隊通過“分子結(jié)構(gòu)調(diào)控+交聯(lián)工藝創(chuàng)新”，自主開發(fā)出水溶性N型共軛高分子，表現(xiàn)出優(yōu)異性能，為我國未來可植入電子器件發(fā)展和應(yīng)用奠定材料基礎(chǔ)。

圖 4. 半導(dǎo)體水凝膠放大器的應(yīng)用

二、腦機接口突破：力學(xué)與信號的雙重革新

針對全球腦機接口領(lǐng)域的困境——植入器件與腦組織力學(xué)差距懸殊（馬斯克團隊的聚酰亞胺材料模量約1GPa，人腦組織僅10~100kPa，相差100-1000倍），易引發(fā)炎癥與信號衰減，雷霆團隊給出了創(chuàng)新解決方案。

力學(xué)匹配與生物兼容協(xié)同突破：團隊將水凝膠與高分子半導(dǎo)體材料復(fù)合，打造超柔軟電子器件，其力學(xué)模量與腦組織相匹配，植入后可隨組織活動同步形變，避免剛性器件對神經(jīng)細胞的損傷。同時，水凝膠的高含水量為該類材料帶來傳統(tǒng)有機半導(dǎo)體難以比擬的高生物相容性。

原位信號放大提升信噪比：傳統(tǒng)腦機接口“電極傳感→后端放大→信號傳輸”的流程易受干擾，難以捕捉微弱神經(jīng)信號。團隊創(chuàng)新的將半導(dǎo)體水凝膠制成“原位放大器”，直接在神經(jīng)界面完成信號放大，信噪比大幅提高，可更清晰的捕捉神經(jīng)信號，推動腦機接口走向更高精度的信號采集，為帕金森病治療、肢體功能重建提供精準技術(shù)支撐。

半導(dǎo)體水凝膠技術(shù)發(fā)表后，得到了廣泛認可。《Science》隨刊發(fā)表了展望，專門介紹該工作，副標題為“半導(dǎo)體水凝膠可實現(xiàn)活性生物電子器件”。近期，芝加哥大學(xué)的Sihong Wang教授采用類似思路實現(xiàn)了p型半導(dǎo)體水凝膠，成果也發(fā)表在《Science》上（Science 2024, 386, 431），證明了雷霆團隊工作的重要性和廣泛適用性。

結(jié)語：凝膠雖柔，支撐強國之梁；芯片雖小，承載未來之夢

從深圳芯片大會的領(lǐng)獎臺到北大實驗室的操作臺，從N型半導(dǎo)體水凝膠的分子設(shè)計到腦機接口的動物實驗，雷霆團隊在“材料-器件-腦機”的交叉領(lǐng)域書寫了中國科研的精彩篇章。這項看似柔軟的技術(shù)，不僅打破了傳統(tǒng)的技術(shù)路徑，更在生物電子、醫(yī)療健康、智能穿戴等領(lǐng)域開辟出全新賽道，為我國科技強國戰(zhàn)略注入了柔性力量。

“科研沒有終點，我們的目標永遠是下一個‘從0到1’的創(chuàng)新，為國家科技發(fā)展撐起更堅實的‘中國芯’。”雷霆這樣說，并用數(shù)年如一日的實驗研究躬身踐行，未來，他們將不畏勞苦繼續(xù)沿著陡峭山路持之以恒地攀登，奔向光輝的頂點。