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量子材料传递大脑讯息,下载记忆未来或成可能?

2019-04-16 12:19     科技    

  来源:知社学术圈

  生物体和电子器件一直是两个同样绚烂但老死不相往来的世界。这是由于在动物及人体等生物体内的信息传导主要是通过离子迁移来实现的(氢离子,钾离子,钠离子等), 而在现代电子器件中(比如电脑中的核心组成部件--场效应晶体管),电子(空穴)决定着器件的传输和计算功能。

  这两种不同的“语言”(离子和电子)天然地在生物体和电子器件之间制造了一个巨大的沟壑。

  在飞速发展的人工智能时代,不论是个性化医疗的疾病检测,抑或是分析生物体的智能信号, 甚至是实现人机交互一体化的信号传输 (可参考ghost in the shell),一种可以同时接收/转换/传递离子、电子信号的界面对于基础科学探索和技术应用拓展都是迫切需要的。

  最近,由普渡大学(Purdue University)材料工程学院Shriram Ramanathan 教授课题组领导以及校内其他课题组合作,联合美国能源部阿贡国家实验室 (Argonne National Laboratory) 等研究团队的探索发现,SmNiO3 (SNO) 钙钛矿型镍酸盐材料在不消耗任何外界能量的条件下,可以接受来自于生物反应的质子(氢原子)传递,并且改变自身电子能带结构,从而产生电子信号,实现离子、电子这两种不同语言之间的“翻译”。这一材料可以和硅基半导体体系集成制备现代化电子器件,同时其特有的量子电子强关联作用使器件响应非常灵敏,使其在现代电子器件发展和人机交互领域具有巨大潜力。该研究成果以“Perovskite nickelates as bio-electronic interfaces“为题,于近日发表在自然通讯杂志:Nature Communications, 10, Article number: 1651 (2019)。文章第一作者为普渡大学工程院吉尔布雷思博士后研究员(Gilbreth Research Fellow):张海天博士(Dr。 Hai-Tian Zhang),以及Ramanathan教授课题组博士后:左凡博士(Dr。 Fan Zuo)。

  近年来,Ramanathan教授课题组重点发展基于电子电子强关联(electron-electron correlation)的相变材料在神经计算学,能源和生物模拟方面的应用。这种电子电子强关联作用使这类材料的光电性能对外界的刺激十分敏感(温度,压力以及化学掺杂等),从而诱发金属-绝缘体相转变,在指数级别调控材料性能。近几年来,该现象已被巧妙的应用于固体氧化物燃料电池(Nature,2016, 534, 231),神经计算功能模拟 (Nature Communication 2017, 8,240),海洋生物器官模拟(Nature 2018,553,68)以及固态锂离子电解质(PNAS 2018,115,9672)等前沿物质-生命-能源交叉科学领域。

  在上述工作中,Ramanathan 教授课题组发现钙钛矿型镍酸盐材料的电学性能对化学掺杂十分敏感。通过氢离子以及锂离子的化学掺杂,可以调控这类材料的电子浓度,从而引发莫特电子相变(Mott Transition),进而在指数级别(108-1010倍)调控材料的电阻率。而在自然界中离子最丰富来源之一莫过于生物体内的反应。可以设想,假如我们可以通过引入自然界中的离子信号来掺杂镍酸盐钙钛矿材料,那么一种可以接受自然界的“语言”,并且与此同时通过金属绝缘体相变把它转变成电子信号的器件可以为现代人机交互发展提供广阔的研究和开发的平台。

  这一研究首次发现,SNO材料可以自发地参与到生物分子以及其生物酶的反应过程中,并且实现氢原子从这个反应到SNO晶格化学掺杂,从而使SNO中的镍离子对应的能带实现电子填充,改变载流子浓度从而诱发莫特相变,进而对生物反应产生电信号感知。研究人员对乳糖(一种产生生物能量必不可少的糖)以及多巴胺 (一种调节运动,情绪反应和记忆的化学信使分子)两种生物酶反应进行了实验,并且发现了由生物反应在SNO材料中诱导的相变。得益于量子材料敏感的“电子-电子关联”作用,这种量子材料对生物的反应敏感性比目前常用的检测方法高出约9倍。对于在生物体中应用来说更为重要的是,SNO材料在水溶液以及人体生理环境中(如人体温度和体液酸碱度等)都很稳定,为这一材料未来的实际应用奠定了基础。

(a)SNO参与乳糖酶反应的示意图, 以及反应机理(b)和 (c)。(a)SNO参与乳糖酶反应的示意图, 以及反应机理(b)和 (c)。
(a)SNO通过莫特相变从而改变电阻。(b)SNO对乳糖反应灵敏性和现有其他方法的比较。(a)SNO通过莫特相变从而改变电阻。(b)SNO对乳糖反应灵敏性和现有其他方法的比较。

  基于以上新奇现象,该工作亦结合多种同步辐射先进表征手段以及基于第一性原理的分子动力学模拟来理解这一量子材料和生物反应之间的作用和交互机理。 阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)先进光源 (Advanced Photon Source) 的物理学家周华(Dr。 Hua Zhou) 和张展博士(Dr。 Zhan Zhang) 为材料提供了X射线衍射谱(XRD)和X射线吸收谱(XAS)等表征测试及深度依赖分析。结果表明通过莫特相变,与酶反应直接接触的SNO表面层中的Ni电子轨道发生了电子填充,从而生成了一个不同于SNO的新GSNO相,使材料电阻率发生改变。与此同时阿贡国家实验室 Sankaranarayanan团队基于第一性原理的分子动力学模拟的研究也在热力学以及动力学层面解释和深度研究了这一反应。

(a)通过X射线衍射谱(XRD)发现新相GSNO的生成。(b)同步辐射X射线吸收谱(XAS)发现了镍能带结构的改变。(c)和(d)基于分子动力学对反应过程在热力学和动力学层次的计算模拟。(a)通过X射线衍射谱(XRD)发现新相GSNO的生成。(b)同步辐射X射线吸收谱(XAS)发现了镍能带结构的改变。(c)和(d)基于分子动力学对反应过程在热力学和动力学层次的计算模拟。

  除此之外,实验团队还成功地把基于SNO的电子器件和实验小鼠的大脑进行了接合,并且灵敏地感知到了来自小鼠大脑在电击刺激下释放多巴胺的信号。这一研究的目标是通过一个潜在的界面来弥合生物世界和电子器件不同的表达方式。从长远来看,这种材料甚至可能带来“下载”大脑数据库的能力。比如在未来可以将一个交互式电子设备放入大脑,这样当自然大脑功能开始恶化时,一个人仍然可以从该设备中找回记忆。这种新型量子材料为制备存储和传输记忆的计算器件提供了潜在途径。这一反应的另外一个很大优势就是自发进行,不依赖外接能耗,从而可以制备非常低功率却具有高灵敏度的电子产品,对于某些特定环境下的使用,比如外太空生命探索具有重要意义。 

(a)和 (b)基于SNO的器件和小鼠大脑结合的示意图。(b)小鼠大脑和实验器件接合的实物图。(a)和 (b)基于SNO的器件和小鼠大脑结合的示意图。(b)小鼠大脑和实验器件接合的实物图。