晶體管是現(xiàn)代電子器件的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)上是剛性的、平面的和二維的(2D)，限制了它們與生物系統(tǒng)的柔軟、不規(guī)則和三維(3D)特性的集成。

2025年11月20日，香港大學(xué)張世明、英國(guó)劍橋大學(xué)George G. Malliaras共同通訊在Science在線發(fā)表題為“Increasing the dimensionality of transistors with hydrogels”的研究論文，該研究提出了一種基于水凝膠的三維半導(dǎo)體，成功將有機(jī)電子學(xué)、軟物質(zhì)與電化學(xué)相結(jié)合。

這些3D半導(dǎo)體以水凝膠的形式實(shí)現(xiàn)了毫米級(jí)的調(diào)制厚度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了組織樣的柔軟性和生物相容性。這種調(diào)制厚度的突破是通過模板化的雙網(wǎng)水凝膠系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，其中次級(jí)多孔水凝膠引導(dǎo)初級(jí)氧化還原活性導(dǎo)電水凝膠的3D組裝。研究證明，這些3D半導(dǎo)體能夠獨(dú)家制造模擬真實(shí)神經(jīng)元連接的3D空間互穿晶體管。這項(xiàng)工作彌合了2D電子學(xué)和3D生命系統(tǒng)之間的差距，為先進(jìn)的生物電子學(xué)系統(tǒng)鋪平了道路，如生物混合傳感和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算。

晶體管是現(xiàn)代電子器件的基礎(chǔ)構(gòu)件，通過不斷變小、加速和集成推動(dòng)計(jì)算性能提升。然而，隨著晶體管微縮接近物理和技術(shù)極限，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)受到越來越多的約束。與此同時(shí)，新興領(lǐng)域如生物電子學(xué)正在探索與生物系統(tǒng)整合的全新范式，以實(shí)現(xiàn)變革性應(yīng)用，包括生物混合傳感和類神經(jīng)計(jì)算。這些系統(tǒng)承諾低功耗、高效率以及新功能，但電子學(xué)與生物學(xué)之間的無縫集成仍然具有挑戰(zhàn)性。

核心問題在于傳統(tǒng)晶體管與生物系統(tǒng)之間的根本性不匹配。傳統(tǒng)晶體管為剛性、平面化且本質(zhì)上為二維結(jié)構(gòu)，而生物系統(tǒng)柔軟、不規(guī)則且三維化，這使得傳統(tǒng)電子組件難以有效與神經(jīng)元等生物組織交互，尤其是需要三維空間集成的場(chǎng)景。為解決該不匹配問題，需要能夠在三維中操作的新型材料與器件結(jié)構(gòu)。

三維水凝膠晶體管三維調(diào)制的策略（圖源自Science）

水凝膠因其類組織特性而成為生物電子學(xué)的潛在材料，包括生物相容性、柔軟性和三維結(jié)構(gòu)。近年來，氧化還原活性水凝膠的進(jìn)展賦予了其半導(dǎo)體功能，使其可作為晶體管的主動(dòng)電子組件。盡管如此，水凝膠半導(dǎo)體在大尺度下調(diào)控導(dǎo)電性方面仍受限?，F(xiàn)有技術(shù)僅限于納米至微米級(jí)厚度的水凝膠，其中離子傳輸和離子-電子耦合有效。然而，當(dāng)厚度超過微米級(jí)時(shí)，這些機(jī)制明顯減弱，導(dǎo)致半導(dǎo)體功能喪失。克服厚度限制是充分發(fā)揮水凝膠半導(dǎo)體三維潛力，實(shí)現(xiàn)與生物系統(tǒng)空間集成的關(guān)鍵。

該研究報(bào)道了一種3D半導(dǎo)體，集成了有機(jī)電子學(xué)、軟物質(zhì)和電化學(xué)。該三維水凝膠半導(dǎo)體與晶體管，實(shí)現(xiàn)了毫米級(jí)三維調(diào)制，性能媲美傳統(tǒng)薄膜器件。通過標(biāo)準(zhǔn)化的水相合成工藝，精確控制了三維空間中的相組成、孔隙率與電荷傳輸性能。宏觀制備方法使得三維水凝膠半導(dǎo)體與晶體管能夠以任意形狀大規(guī)模生產(chǎn)，突破了二維平面電子器件的維度限制。這些器件具備組織相容性、可拉伸性與滲透性等組織類似特性，有望在生物-電子交互（如細(xì)胞培養(yǎng)、類器官形成與可編程細(xì)胞行為）中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、持久的三維接口，為未來生物混合感知與神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)展開辟了新路徑。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx4514