上世纪50年代，电子元器件的发明开创了信息时代。在传统的固态电子学中，二极管由P型与N型半导体结合形成，只允许电流单向导通。自然界的生命体则通过细胞膜上的离子蛋白质通道对离子进行选择输运。受此种现象的启发，研究人员构建了不同形貌的纳米孔道，实现了对离子的非对称输运，形成了离子二极管。与传统电子二极管相比，离子有不同种类，可携带更多的信息，但是现有的加工方法步骤复杂、价格昂贵，且所加工出的固态纳米通道处于垂直方向，限制了离子电路的集成。
近日，我校微控流芯片实验室李梦琪等人，开发出利用非对称碳纳米颗粒薄膜加工离子二极管的新方法，实现了水平方向离子二极管的加工与离子电路的集成。团队创新性地在水面上合成了单层碳纳米薄膜，使用纳米转印技术将该薄膜裁剪成非对称结构，并镶嵌在微流控芯片中。由于该薄膜具有阳离子选择传输性，在不同方向电场作用下阴离子会分别汇聚在薄膜大、小端口处，进而实现方向可控的离子整流。相关研究成果已发表在Advanced Functional Materials上。
本研究中，研究团队探讨了离子种类、离子浓度和碳纳米薄膜非对称性对离子二极管的影响机制。通过电压-电流曲线的测定，发现该离子二极管对离子种类和浓度具有很好响应。研究团队还通过对薄膜不同区域进行功能化修饰，改变其表面电荷性质，实现了大小可控的离子整流功能。修饰前后该离子二极管的整流比有显著提升，从3.03增大到109.77，增大了30多倍。为了进一步实现该离子器件的应用，研究人员通过引入“门”电压，对输出离子电流大小进行控制，实现了大小可调的离子电路开关功能。并将多个离子二极管集成在单个微流控芯片上，制备了离子二极管桥，实现了对交流信号的整流。
该研究工作提出了一种制备仿生离子二极管的简单、经济方法，同时通过使用多个二极管加工功能性的离子电路证明了该离子二极管易于集成的特性。此外，该项研究提出的仿生非对称薄膜为下一代离子交换膜的设计提供了新思路，将在海水淡化、盐差能发电和离子筛分等领域具有广阔的应用前景。
本研究工作得到了中央高校基本科研专项资金、国家自然科学基金等项目的资助。
