突破维度壁垒：港大团队首创毫米级水凝胶晶体管，登《Science》封面重塑生物电子未来
——柔软如脑组织的三维半导体实现电子与生命的“双向对话”
一、研究背景：二维刚性器件的“维度困境”
传统硅基晶体管虽为现代电子技术基石，但其刚性、平面化、二维（2D）结构与生物组织的柔软、不规则、三维（3D）特性存在根本性矛盾。这种“维度鸿沟”导致电子设备难以与神经元等生物组织高效集成，限制了脑机接口、植入式医疗设备等生物电子技术的发展。水凝胶因高含水量、类组织柔软性及生物相容性被视为理想材料，但此前其半导体性能受限于微米级厚度，增厚后离子传输效率骤降，无法实现三维调控。
二、技术突破：双网络水凝胶破解三维调制难题
香港大学张世明教授团队与剑桥大学合作，通过相工程+结构工程双策略，首次实现毫米级厚度的全功能水凝胶半导体晶体管： 1. 相工程：构建电子“高速公路” - 在主导电水凝胶（PEDOT:PSS）中引入聚丙烯酸（PAA）作为次级网络，形成连续导电通道，电导率从 0.9 S/cm 跃升至 100 S/cm（提升超100倍）。 2. 结构工程：平衡离子-电子传输 - 通过溶剂交换等技术调控孔隙率（5%-90%），在最佳孔隙区间实现离子与电子传输平衡，开关比高达 10⁴，媲美顶尖有机电化学晶体管（OECT）。 3. 毫米级厚度突破 - 传统薄膜器件厚度超10微米后电容非线性衰减，而水凝胶晶体管在1毫米厚度下体积电容仍与厚度呈线性关系，证明离子可穿透整个通道，实现真三维调控。
关键创新：双网络设计使材料兼具生物相容性（支持细胞培养）、可拉伸性（30%应变下性能稳定）及量产潜力（一步水溶液工艺成型）。三、性能验证：类脑计算与生物集成双突破
四、应用前景：打通生命与机器的三维接口
1.高兼容性脑机接口
2.三维水凝胶可包裹神经组织，实时监测微弱电信号，提升脑疾病诊断精准度。
3.智能植入医疗设备
展开全文4.毫米级柔软器件可植入体内调控细胞行为，助力组织再生（如心脏修复、神经再生）。
5.低功耗类脑芯片
6.三维互穿结构模拟大脑神经网络，有望开发节能高效的神经形态计算设备。
7.可穿戴健康监测
8.结合张世明团队此前开发的PERfECT系统（硬币大小电化学传感平台），实现体液生物标记物连续监测。
五、团队愿景：从实验室到生命融合的未来
该研究由港大WISE课题组主导，团队具备跨学科背景（微电子、电化学、生物医学工程），历时五年攻克技术瓶颈。张世明教授指出：“这项突破不仅是材料科学的里程碑，更重新定义了电子与生命的交互方式。未来‘可植入、可穿戴、可生长’的电子设备将推动医疗、教育乃至日常生活的变革。”
权威印证： - 《Science》编辑Marc S. Lavine评价：“此技术重新定义了生命与机器的边界”。 - 性能参数经国际顶尖期刊多篇论文交叉验证（如开关比、生物安全性）。论文链接：Science, 2025, 390, 824-830传媒查询：港大工程学院 钟敏芝（chungmc@hku.hk）｜ 袁可盈（natyuen@hku.hk）
结语：这项研究标志着生物电子学从“二维刚性”迈入“三维柔软”时代，为人类与机器的深度融合撕开一道历史性裂隙。当电子器件如生命般呼吸、拉伸、思考，科技与生命的对话终将超越科幻想象。
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