11月20 日，Science發表了一項令人矚目的成果，香港大學和劍橋大學的聯合團隊研發出三維水凝膠半導體及晶體管，打破了傳統電子器件與生物系統之間的維度壁壘，為下一代生物電子學的發展開辟了新路徑。通訊作者為香港大學的張世明教授和劍橋大學的George G.Malliaras教授。此論文也為Science當期封面論文。

電子與生命的維度鴻溝

我們日常使用的手機、電腦等電子設備，其核心部件晶體管都是二維平面結構，堅硬且規整。我們的人體組織、神經元網絡卻是柔軟的、不規則的三維結構。這種維度的不匹配，讓傳統電子器件很難與生物系統實現無縫對接。

比如，當科學家想讓電子設備監測大腦神經元活動，或用電子信號調控細胞行為時，堅硬的二維晶體管既無法貼合復雜的生物組織，也難以實現三維空間上的精準交互。水凝膠這種材料恰好具備類似人體組織的柔軟度和生物相容性，被視為生物電子學的理想候選材料，但此前的水凝膠半導體只能做到納米到微米級的厚度，一旦增厚就會失去導電調控功能，無法實現真正的三維應用。

電子與生命的維度鴻溝

研究團隊創造性地設計了"雙網絡水凝膠系統"，通過相工程和結構工程，讓水凝膠半導體實現了毫米級厚度的突破，同時保持著優異的性能。

第一步：搭建電子傳輸的高速公路

水凝膠中存在水、凝膠和水凝膠混合物三種相態，要讓它具備半導體特性，首先需要形成連續的導電相。團隊發現，在主導電水凝膠（如PEDOT:PSS）中加入第二種水凝膠網絡（如聚丙烯酸 PAA），可以像模板一樣引導導電分子形成連續的傳輸通道。實驗顯示，加入 PAA 后，水凝膠的導電率從 0.9 S/cm 大幅提升至 100 S/cm，相當于為電子搭建了暢通無阻的高速公路，同時還能保持類似人體組織的柔軟度。

第二步：打造離子穿梭的"通透網絡"

電子能順暢傳輸還不夠，晶體管的工作還需要離子的參與。團隊通過三種方式調控水凝膠的孔隙率：調整原材料濃度，改變交聯劑用量，以及在水凝膠成型后進行溶劑交換。這樣可以將水凝膠的孔隙率精確控制在5% 到 90% 之間，形成大量微小孔洞。

有趣的是，孔隙率對電子和離子傳輸的影響恰好相反：孔隙率越高，電子傳輸越困難，但離子穿梭越順暢。經過反復實驗，團隊找到了最佳孔隙率區間，在這個區間內，電子和離子的傳輸達到完美平衡，水凝膠晶體管的開關比（衡量晶體管性能的關鍵指標）高達10?，與最先進的二維有機晶體管相當。

關鍵驗證：毫米級厚度的全維度調控

傳統二維晶體管增厚到10 微米以上后，電容就不再隨厚度線性增長，意味著無法實現全厚度的導電調控。而團隊研發的水凝膠晶體管，即使厚度達到 1 毫米達到傳統厚度的100 倍，電容依然與厚度保持完美的線性關系。這表明，離子能夠穿透整個水凝膠通道，實現真正的三維立體調控。

在性能測試中，1 毫米厚的水凝膠晶體管開關比達到 10?，是同樣厚度傳統晶體管的 1000 倍，展現出驚人的調控效率。

圖說：(A) 水凝膠半導體（PEDOT:PSS/PAA）被制成纖維形態，從而能夠直接構建出三維自支撐的晶體管結構。(B) 一個集成了三維水凝膠晶體管的類腦神經形態電路示意圖。該電路系統包含模擬前端、微控制單元、藍牙模塊和電解液，并由電池供電。(C) 三維互穿結構的水凝膠晶體管的真實照片。這些晶體管能夠模擬大腦中神經回路的三維空間結構，并展現出在 0% 與 30% 拉伸應變下的穩定形態。圖中比例尺長度為 0.5 厘米。

可量產的三維電子器件

更令人振奮的是，這種3D 水凝膠半導體可以通過簡單的水溶液工藝批量生產。研究團隊開發了一步法制備流程，將原材料預先混合后，通過交聯反應就能形成各種形狀的水凝膠半導體，厚度可從微米級到毫米級自由調節，還能制成纖維等形態，具備良好的拉伸性。實驗表明即使拉伸30%，性能也不會受影響。

基于這種材料，團隊成功搭建了三維互穿的晶體管陣列，這種結構酷似大腦中的神經元網絡。他們將這個3D 晶體管陣列與自主研發的硬幣大小的讀取設備結合，構建了類腦計算系統。在手寫數字識別測試中，該系統的識別準確率達到 91.93%，與傳統人工神經網絡相當，而且在拉伸 30% 的情況下依然能保持這個精度。

未來應用：生物電子的"三維對話"

這項技術的突破，讓電子設備與生物系統的"雙向溝通" 成為可能。

在生物傳感領域，3D 水凝膠晶體管可以像 "電子支架" 一樣，包裹細胞或組織器官，實時監測神經信號、代謝產物等生物信息，為疾病診斷提供更精準的依據；在類腦計算方面，三維互穿的晶體管陣列能夠更好地模擬大腦的空間連接方式，有望開發出更高效、低功耗的神經網絡計算設備；在再生醫學領域，具備生物相容性的水凝膠晶體管可以植入人體，引導細胞生長和組織修復，實現 "電子調控再生"。

值得一提的是，研究團隊已經驗證了該材料的生物安全性，能夠支持細胞培養和類器官形成，為后續的生物醫學應用奠定了基礎。

這項研究最大的意義，在于它打破了二維電子學的固有框架，用柔軟的三維材料搭建起電子技術與生命系統的溝通橋梁。未來，隨著技術的不斷優化，我們或許會看到更多"可植入、可穿戴、可生長" 的電子設備，讓前沿科技真正融入生命，為健康監測、疾病治療和人工智能帶來革命性的變化。

編輯 吳歐

論文信息

發布期刊 Scicence

發布時間 2025年11月20日

論文標題 Increasing the dimensionality of transistors with hydrogels

DOI: 10.1126/science.adx4514