课题基金 / 基金详情

基于取向纳米原纤序构的半导体纤维设计与神经突触器件构筑

批准号:
92163132
项目类别:
重大研究计划
资助金额:
64.0 万元
负责人:
王刚
依托单位:
学科分类:
新概念材料
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王刚

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
电子-离子混合传导型半导体纤维可实现对人体电子-离子关联神经活动的监测与调控,得益于其纤维几何形态优势(手术创面小、神经/血管组织相容性高),在侵入式脑机接口中具有重要应用前景。但高孔隙结构与高取向高结晶结构间存在微纳结构层面设计的矛盾,导致 “力学性能-电子传输-离子迁移”难以协同提升,严重制约半导体纤维实际应用。本项目提出“静电辅助干喷湿纺”设计思路,引入取向纳米原纤为功能基元,通过“取向纳米原纤+纳米流体通道”空间序构实现宏观性能协同提升。通过静电场调控分子链同复合力场的耦合作用,实现取向纳米原纤可控构筑;引入涡流拉伸场和质子浓度梯度场调控纳米原纤相互作用力与双向质子扩散的平衡,可控引入纳米流体通道;通过器件化设计构筑纤维形态神经突触,并探索在神经信号监测及刺激释放中的应用。本研究将为基于功能基元序构的半导体纤维设计及性能开发提供理论依据和实践参考,并拓展在侵入式脑机接口等领域应用。
英文摘要
Mixed ionic-electronic semiconductor fiber has been demonstrated the capability to monitor and regulate the ion-electron based neuronal activities of the human body. Comparing with other bulky materials, the multi-functional fiber exhibits many advantages including minimized traumatic injury, better compatibility with nerves/vascular tissues and fiber-like geometry, which makes it become a promising potential solution as media materials in invasive brain-machine interface. However, due to the intrinsic conflict in the design principles between high-porosity structure and ordered crystallization structure fabrication, synergistically improving of the comprehensive performances encounters enormous obstacles. In order to solve this knotty problem, this project proposes a strategy of “Static Electricity-assisted Dry-jet Wet Spinning”, which integrates well-aligned nanofibrils as functional building blocks to construct spatially ordered nanofibrils with nanofluidic channel, paving a promising avenue to advance the overall performance. The enhancement is contributed by three factors: first, by utilizing electrostatic field to tune the coupling between polymer chains and all imposed force fields, the architecture of the nanofibril unit can be well controlled; second, combining the eddy induced tensile stress field with the gradient of proton concentration, the interfibrillar interaction between nanofibrils and round-trip proton diffusion can be balanced, making the flux of nanofluidic channels controllable; third, with integration of fiber-shaped artificial nerve synapse into the device design, we will further explore the potential applications in nerve signal monitoring and stimulus releasing. This research will not only provide a theoretical foundation and research reference for designing semiconductor fibers and developing related devices, but also extend the potential applications in invasive brain-machine interface.
半导体纤维因其具有本征柔性、高效电子-离子混合传导性能和优异的机械稳定性,在柔性电子领域的新兴应用领域中展现了显著优势。与传统平面器件相比,纤维形态具有更大的比表面积和更好的形变适应性,特别适合用于神经接口和智能纺织等应用。然而,高孔隙结构与高取向、高结晶结构间的设计矛盾,限制了力学性能、电子传输和离子迁移的协同提升,成为实际应用中的瓶颈。本项目聚焦半导体纤维的微观结构调控及性能优化,提出了“静电辅助干喷湿纺”创新设计思路。通过取向纳米原纤的功能基元构筑,并结合静电场、涡流拉伸场和质子浓度梯度场的协同作用,成功制备了高取向、高结晶半导体纤维,其力学强度达到716 MPa,品质因数达达到55 F cm⁻¹·V⁻¹·s⁻¹,载流子迁移率提高至0.46 cm²·V⁻¹·s⁻¹,从而实现“力学性能-电子传输-离子迁移”的协同提升。基于功能基元序构半导体纤维,成功构筑了基于高性能的有机电化学品体管的一维逻辑运算和神经突触器件,探索了其在数字信号处理、人造神经接口中的应用。相关研究成果在Chemical Reviews, Nature Communications, Angewandte Chemie等高水平期刊以通讯作者身份发表论文9篇,申报国际专利1项,国家专利3项,为柔性电子器件的高性能化提供了理论依据和实践参考,并为半导体纤维在神经接口和智能纺织等领域的应用提供了重要的研究支持。
基于半导体纤维多级离子通道的垂直型电化学晶体管
  • 批准号:
    52373282
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    52万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    王刚
  • 依托单位:
基于微流剪切诱导的功能基元序构半导体纤维及逻辑器件构筑
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    王刚
  • 依托单位:
共轭聚合物半导体纤维取向结晶及电子-离子传输行为调控
  • 批准号:
    52003049
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    24.0万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    王刚
  • 依托单位:
两相聚合物半导体薄膜微流印刷及取向结构调控
  • 批准号:
    19ZR1470600
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2019
  • 负责人:
    王刚
  • 依托单位:
国内基金
海外基金