量子材料傳遞大腦訊息,下載記憶未來或成可能？

　　2019年04月16日 09:59 　　　來源：知社學術圈

　　生物體和電子器件一直是兩個同樣絢爛但老死不相往來的世界。這是由於在動物及人體等生物體內的信息傳導主要是通過離子遷移來實現的（氫離子，鉀離子，鈉離子等）， 而在現代電子器件中（比如電腦中的核心組成部件--場效應晶體管），電子（空穴）決定著器件的傳輸和計算功能。

　　這兩種不同的「語言」（離子和電子）天然地在生物體和電子器件之間製造了一個巨大的溝壑。

　　在飛速發展的人工智慧時代，不論是個性化醫療的疾病檢測，抑或是分析生物體的智能信號， 甚至是實現人機交互一體化的信號傳輸 （可參考ghost in the shell），一種可以同時接收/轉換/傳遞離子、電子信號的界面對於基礎科學探索和技術應用拓展都是迫切需要的。

　　最近，由普渡大學（Purdue University）材料工程學院Shriram Ramanathan 教授課題組領導以及校內其他課題組合作，聯合美國能源部阿貢國家實驗室 （Argonne National Laboratory） 等研究團隊的探索發現，SmNiO3 （SNO） 鈣鈦礦型鎳酸鹽材料在不消耗任何外界能量的條件下，可以接受來自於生物反應的質子（氫原子）傳遞，並且改變自身電子能帶結構，從而產生電子信號，實現離子、電子這兩種不同語言之間的「翻譯」。這一材料可以和硅基半導體體系集成製備現代化電子器件，同時其特有的量子電子強關聯作用使器件響應非常靈敏，使其在現代電子器件發展和人機交互領域具有巨大潛力。該研究成果以「Perovskite nickelates as bio-electronic interfaces「為題，於近日發表在自然通訊雜誌：Nature Communications， 10， Article number： 1651 （2019）。文章第一作者為普渡大學工程院吉爾布雷思博士后研究員（Gilbreth Research Fellow）：張海天博士（Dr。 Hai-Tian Zhang），以及Ramanathan教授課題組博士后：左凡博士（Dr。 Fan Zuo）。

　　

　　近年來，Ramanathan教授課題組重點發展基於電子電子強關聯（electron-electron correlation）的相變材料在神經計算學，能源和生物模擬方面的應用。這種電子電子強關聯作用使這類材料的光電性能對外界的刺激十分敏感（溫度，壓力以及化學摻雜等），從而誘發金屬-絕緣體相轉變，在指數級別調控材料性能。近幾年來，該現象已被巧妙的應用於固體氧化物燃料電池（Nature，2016， 534， 231），神經計算功能模擬 （Nature Communication 2017， 8，240），海洋生物器官模擬（Nature 2018，553，68）以及固態鋰離子電解質（PNAS 2018，115，9672）等前沿物質-生命-能源交叉科學領域。

　　在上述工作中，Ramanathan 教授課題組發現鈣鈦礦型鎳酸鹽材料的電學性能對化學摻雜十分敏感。通過氫離子以及鋰離子的化學摻雜，可以調控這類材料的電子濃度，從而引發莫特電子相變（Mott Transition），進而在指數級別（108-1010倍）調控材料的電阻率。而在自然界中離子最豐富來源之一莫過於生物體內的反應。可以設想，假如我們可以通過引入自然界中的離子信號來摻雜鎳酸鹽鈣鈦礦材料，那麼一種可以接受自然界的「語言」，並且與此同時通過金屬絕緣體相變把它轉變成電子信號的器件可以為現代人機交互發展提供廣闊的研究和開發的平台。

　　這一研究首次發現，SNO材料可以自發地參與到生物分子以及其生物酶的反應過程中，並且實現氫原子從這個反應到SNO晶格化學摻雜，從而使SNO中的鎳離子對應的能帶實現電子填充，改變載流子濃度從而誘發莫特相變，進而對生物反應產生電信號感知。研究人員對乳糖（一種產生生物能量必不可少的糖）以及多巴胺 （一種調節運動，情緒反應和記憶的化學信使分子）兩種生物酶反應進行了實驗，並且發現了由生物反應在SNO材料中誘導的相變。得益於量子材料敏感的「電子-電子關聯」作用，這種量子材料對生物的反應敏感性比目前常用的檢測方法高出約9倍。對於在生物體中應用來說更為重要的是，SNO材料在水溶液以及人體生理環境中（如人體溫度和體液酸鹼度等）都很穩定，為這一材料未來的實際應用奠定了基礎。

　　

　　（a）SNO參與乳糖酶反應的示意圖， 以及反應機理（b）和 （c）。

　　

　　（a）SNO通過莫特相變從而改變電阻。（b）SNO對乳糖反應靈敏性和現有其他方法的比較。

　　基於以上新奇現象，該工作亦結合多種同步輻射先進表徵手段以及基於第一性原理的分子動力學模擬來理解這一量子材料和生物反應之間的作用和交互機理。 阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）先進光源 （Advanced Photon Source） 的物理學家周華（Dr。 Hua Zhou） 和張展博士（Dr。 Zhan Zhang） 為材料提供了X射線衍射譜（XRD）和X射線吸收譜（XAS）等表徵測試及深度依賴分析。結果表明通過莫特相變，與酶反應直接接觸的SNO表面層中的Ni電子軌道發生了電子填充，從而生成了一個不同於SNO的新GSNO相，使材料電阻率發生改變。與此同時阿貢國家實驗室 Sankaranarayanan團隊基於第一性原理的分子動力學模擬的研究也在熱力學以及動力學層面解釋和深度研究了這一反應。

　　

　　（a）通過X射線衍射譜（XRD）發現新相GSNO的生成。（b）同步輻射X射線吸收譜（XAS）發現了鎳能帶結構的改變。（c）和（d）基於分子動力學對反應過程在熱力學和動力學層次的計算模擬。

　　除此之外，實驗團隊還成功地把基於SNO的電子器件和實驗小鼠的大腦進行了接合，並且靈敏地感知到了來自小鼠大腦在電擊刺激下釋放多巴胺的信號。這一研究的目標是通過一個潛在的界面來彌合生物世界和電子器件不同的表達方式。從長遠來看，這種材料甚至可能帶來「下載」大腦資料庫的能力。比如在未來可以將一個互動式電子設備放入大腦，這樣當自然大腦功能開始惡化時，一個人仍然可以從該設備中找回記憶。這種新型量子材料為製備存儲和傳輸記憶的計算器件提供了潛在途徑。這一反應的另外一個很大優勢就是自發進行，不依賴外接能耗，從而可以製備非常低功率卻具有高靈敏度的電子產品，對於某些特定環境下的使用，比如外太空生命探索具有重要意義。

　　

　　（a）和 （b）基於SNO的器件和小鼠大腦結合的示意圖。（b）小鼠大腦和實驗器件接合的實物圖。