离子基柔性压电材料能够响应外部机械刺激并产生离子电流，同时克服传统电子设备与生物组织之间的模量不匹配问题，从而实现与神经组织的复杂软交互。这种材料产生的压电能量具备高生物相容性，可作为柔性电源，广泛应用于生物传感器和可植入设备等领域。然而，现有压电材料中阳离子和阴离子在应力场下传输差异受到限制，从而降低了离子电能的转换效率。因此，大多数压电系统的功率密度较低，限制了其在能量转换和信号传输中的实际应用。这一问题主要归因均相离电材料中阳离子和阴离子的迁移能垒相近，阻碍了其传输差异化的实现。

自然界中，电鳗利用其多细胞室结构实现不对称离子传输，从而产生高电压用于击晕猎物或抵御捕食者。在外界刺激下，离子选择性跨膜传输的界面累积效应增强了离子传输差异性，提高了电器官内的净离子通量。受此启发，中国科学院理化技术研究所/中国科学院大学江雷院士团队的闻利平研究员和赵紫光副教授，联合清华大学徐志平教授，开发出一种具有内盐差梯度的两相异质界面材料。通过级联异质界面的增强作用，离子的传输差异效率得到显著提升，实现了高功率密度的压电能量输出。与传统均相离子压电材料相比，该材料利水凝胶和有机凝胶微相形成的异质界面，建立了具有明显差异的阴/阳离子的跨界面传输能垒（ΔE）。在两相凝胶体系中，多个异质结界面进一步放大了离子传输差异，从而提高了净离子流的产生效率。此外，内部水凝胶微相结构模拟了电鳗阵列排布细胞的功能，可原位建立稳定的内盐差梯度。在压电过程中，由内盐差梯度产生的化学势进一步诱导高通量离子传输，显著提升了压电能量转换效率。通过构建稳定的压电元件，该系统可连续输出压电能量达24小时，最大功率密度达150 W/m³。研究团队进一步开发了基于该材料的离子压电神经调控装置。该装置可与瘫痪的迷走神经连接，利用压电信号成功调节啮齿动物的血压。通过优化压电离子系统的离子特性，异质界面门控效应能够进一步调节离子传输效率，从而实现对相关神经调控过程的精确控制。这项研究提供了一种受电鳗启发的异质界面设计策略，为高效离子信号传输和压电能量转换奠定了基础，在仿生机器人、神经假体等领域具有潜在应用价值。

相关研究结果发表在J. Am. Chem. Soc.期刊上，该工作得到了国家自然科学基金委、科技部的大力支持。

受电鳗启发的内盐差梯度双相异质界面材料实现高效压电能量转换

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c13305