基於質子的電晶體能使機器與生物溝通

2011/09/23 |

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人類裝置，從燈泡到 iPods，利用電子傳送資訊。在另一方面，人體與其他生物（living things，活物），利用離子或質子傳送訊號與完成工作。

在華盛頓大學的材料科學家打造出一種新奇的、使用質子的電晶體，為能與生物直接溝通的裝置創造出關鍵的一部份。這項研究本週發表在跨學科期刊，Nature Communications，的線上版。

為了生物感應器或義肢學（prosthetics），與人體過程（processes）連結的裝置正被探索中，不過它們通常利用電子溝通，那是帶負電的粒子，與質子（帶正電荷的氫原子）或離子（帶正電荷或負電荷的原子）有所不同。

“所以在界面上，這個問題一直都是一種挑戰：電子訊號如何轉譯成離子訊號，反之亦然？" 第一作者 Marco Rolandi 表示，UW 材料科學與工程助教授。"我們發現一種生物材料，那非常善於傳導質子，且有機會成為與活體系統（living system）之間的界面。"

在體內，質子活化「on」以及「off」開關，而且是生物能量傳遞中的關鍵角色。離子開啟與關閉細胞膜中的通道，以便將東西泵出或泵入細胞。包括人類在內的動物，利用離子放鬆牠們的肌肉以及傳輸腦部訊號。一部與活體系統相容的機器，在這種情況下，簡單的說，能監控這種過程。有朝一日那還能夠產生質子流（proton current）以直接控制某些功能。

朝向這類型控制的第一步是一種電晶體，那能夠送出質子流的脈衝。這款原型裝置是一個場效應電晶體，是一種基本的電晶體類型，那包含一個質子流的閘極（gate）、汲極（drain）與源極（source）終端。在這類使用質子的裝置中，這個 UW 原型是第一個。它量起來約 5 微米寬，大約是人類頭髮寬度的二十分之一。

“在我們的裝置中，大型生物啟發分子（large bioinspired molecules）能移動質子，且質子流被開啟或關閉的情況，可完全類比其他場效應電晶體中的電流，" Rolandi 說。

該裝置使用一種經過修飾的幾丁質（chitosan，甲聚醣），這種化合物原本萃取自魷魚鞘（squid pen，當魷魚有殼時會留下這種結構）。這種材料與生物相容、容易製造，而且能從食品業所廢棄的蟹殼與魷魚鞘回收。

第一作者 Chao Zhong（音譯：鍾超，UW 博士後研究者）與第二作者 Yingxin Deng（音譯：鄧迎新，UW 畢業生）發現，這種形態的幾丁質在搬移質子上格外優異。幾丁質會吸收水分並形成許多氫鍵；質子接著能從某個氫鍵跳躍至另一個。

由共同作者 M.P. Anantram（UW 電機工程教授）以及 Anita Fadavi Roudsari（加拿大 Waterloo 大學）所發展出來的電荷傳輸電腦模型與實驗結果非常相符。

“所以我們現在有一個與電子迴路相似的質子迴路，我們才剛開始了解，而非完整了解，" Rolandi 說。

Rolandi 表示，未來十年左右的應用很可能會是在實驗室內細胞的直接感測。目前的原型有個矽基底，而且無法用於人體中。然而，長期來看，一種生物相容的版本將能直接被植入到生物中以直接監測或甚至控制某些生物學過程。

資料來源：PHYSORG: Proton-based transistor could let machines communicate with living things [September 20, 2011]

轉載自 only-perception