1. 文章信息

标题：Bioinspired nanofluidic iontronic device with integrated photoreceptor and photosynaptic functions

中文标题：仿生纳米流体离子电子器件：集成光感受器与光突触功能

页码：  3523   

DOI：10.1038/s41467-026-70337-y              

2. 文章链接

https://doi.org/10.1038/s41467-026-70337-y

3. 期刊信息

期刊名：Nature Communications

ISSN：  2041-1723     

2025年影响因子：   15.7    

分区信息： 中科院一区Top；JCR分区（Q1）

涉及研究方向：仿生材料化学、离子电子器件、神经形态计算 

4. 作者信息：第一作者是  刘文超；通讯作者为肖凯 ；

5.产品型号：CEL-S500-T5、CEL-LED100HA;

一、研究背景

视觉系统是生物体获取外界信息的主要途径，约80%的外部信息通过视觉处理。视网膜中的光感受器细胞和光突触层是实现视觉功能的核心结构：光感受器通过光敏蛋白通道将光信号转化为电信号，调节离子跨膜运输，从而产生膜超极化；光突触则负责信息的存储与传递。受此启发，研究人员尝试利用固态光电器件模拟视觉功能，但现有器件多依赖半导体中的电子-空穴分离机制，难以真正模拟生物中离子介导的信号传递过程。此外，现有光控离子传输系统响应速度慢，难以实现对高频视觉信号的快速响应。因此，开发一种能够在一个纳米流体器件中同时实现光感受器与光突触功能，并具备极性可切换特性的仿生视觉系统，是当前研究的难点与热点。

图1 仿生设计理念。a 人类视觉系统示意图；b 光门控离子通道作为光感受器的开关状态示意图；c 光突触信号传递示意图；d CNT/MoS₂纳米流体离子电子器件的工作机制。

二、结果与讨论

1．实验方法与机理验证

本研究设计了一种基于碳纳米管与二硫化钼（CNT/MoS₂）异质结构的纳米流体离子电子器件，模拟生物视觉功能。器件的核心结构为一维同轴异质纳米管，采用两步法合成：首先通过化学气相沉积（CVD）在多孔阳极氧化铝（AAO）模板中生长CNT，随后通过热分解(NH₄)₂MoS₄前驱体在CNT内部形成MoS₂层。所得到的CNT/MoS₂异质结构具有约90 nm的孔径，MoS₂层厚约5.9 nm，CNT层厚约11.6 nm。

为了验证器件的光响应机制，研究团队进行了系统的理论模拟与实验表征。理论方面，采用密度泛函理论（DFT）与时变密度泛函理论（TD-DFT）计算了异质界面处的电荷分布与激发态电子-空穴分离行为；同时建立了基于Poisson-Nernst-Planck（PNP）方程的有限元模型，模拟光电压驱动下的离子传输过程。实验表征方面，使用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）等手段确认了异质结构的形貌与组成；通过开尔文探针力显微镜（KPFM）测量了光电压（E_photo）的演化；并通过双电极和三电极电化学系统分别测试了器件在无偏压和有偏压条件下的离子光电流响应。

DFT计算表明，在CNT/MoS₂异质界面处，MoS₂作为电子供体，将电子转移到CNT内表面，形成内建电势，有助于分离光生电子-空穴对。在激发态下，电子主要局域在CNT上，而空穴则集中在MoS₂的钼原子上，形成方向性电子转移。KPFM测量进一步验证了光电压的可逆生成与调控，SPV在0.1–0.5 mW/cm²光强下从3.8 mV线性增至7.7 mV。PNP模拟显示，在单侧光照下，异质结构产生非对称光电压，驱动K⁺离子在纳米管内迁移，形成离子光电流。离子浓度分布模拟显示，光照侧K⁺显著富集，Cl⁻相对贫乏，产生浓度极化现象。该离子选择性源于异质结构的负表面电荷。

图2 纳米管异质结构及光控离子传输机制。 a CNT/MoS₂纳米管异质结构的SEM、TEM及元素分布图；b 基态下异质界面处电子重新分布的静电势差；c 激发态下异质界面的电子-空穴分布；d 光照开/关过程中接触电位差（CPD）的变化；e 表面光电压（SPV）随光功率密度的线性增强；f–h 单侧光照下光生电位、离子电流及离子浓度分布的有限元模拟结果。

2. 光感受器功能

在无偏压条件下，器件模拟光感受器功能。与纯MoS₂纳米管（孔径35 nm和90 nm）相比，CNT/MoS₂异质结构表现出最佳的离子光电流增强效果，分别是前两者的1.28倍和6.42倍。光电流随光功率密度（10–94 mW/cm²）增加而上升（从59.3 nA增至225.9 nA），随波长增加而下降，在365 nm和405 nm处响应最强，与异质结构的吸收谱一致。器件的光响应度为78.4 μA/W，响应速度为3.8秒，信噪比为19.56，能量效率为0.694×10⁻⁴%。此外，离子电流随KCl浓度升高而增强，二价阳离子（Mg²⁺、Ca²⁺）比一价离子（K⁺、Na⁺）产生更强的光电流，归因于更强的静电耦合作用。

图3 人工纳米流体离子电子器件的光感受器功能。a 测量装置示意图；b 三种不同纳米结构在交替光照下的循环离子电流对比；c 离子电流随入射光波长的变化（365–660 nm）；d 离子电流随光功率密度和电解质浓度的变化。

3. 光突触功能

在0.5 V偏压下，器件模拟光突触功能。离子光电流随光功率密度（1.5–6.1 μA）和偏压（1.0–15.7 μA）增大而增强。在双脉冲刺激下，器件表现出典型的双脉冲易化（PPF）行为，PPF指数随脉冲间隔增加呈双指数衰减，模拟了生物突触的短时可塑性（STP）。通过增加光脉冲数量（10–80次）或延长脉冲宽度（1–20秒），器件实现了从STP向长时程可塑性（LTP）的转变。在频率依赖实验中，刺激频率越高（0.05–1.00 Hz），EPSC增强越显著。在“学习-遗忘-再学习”实验中，器件表现出经验依赖的学习行为：首次学习需40次训练达到100%响应，第二次仅需20次，第三次只需10次，模拟了生物记忆巩固过程。

图4 人工纳米流体离子电子器件的光突触功能。a 三端测量装置示意图；b 不同光功率密度下的离子电流响应（固定偏压0.5 V）；c 不同偏压下的离子电流响应（固定光强94 mW/cm²）；d 双脉冲易化（PPF）效应；e PPF指数随脉冲间隔的变化；f 不同脉冲数量（10–80次）诱导的EPSC；g 不同脉冲宽度（1–20 s）诱导的EPSC；h 不同脉冲频率（0.05–1 Hz）诱导的EPSC；i 经验依赖性学习行为（三次训练周期）。

4. 应用展示：方向识别与指纹检测

将三个器件以120°间隔布置，分别在0.1 V、0.3 V和0.5 V偏压下工作，构成方向敏感检测阵列。实验表明，不同光照角度（0°–360°）下，EPSC响应呈极性分布，且随偏压和光强增强而增强。利用三层人工神经网络（输入层为时间电流信号，隐藏层16个神经元，输出层12个方向），模型在40个训练周期后达到98.5%的方向识别准确率。此外，将器件用于指纹图像识别，采用卷积神经网络（CNN），90°光照下识别准确率最高达96.13%，且在多个角度下（0°–330°）均保持95%以上的识别准确率。

图5 基于纳米流体离子电子器件的方向识别应用。a 仿生视觉系统与人工神经网络（ANN）示意图；b 不同光照角度下的EPSC随时间响应；c 极坐标下EPSC随角度和偏压的变化；d EPSC随角度和光强的变化；e 训练过程中识别准确率的变化（最高98.5%）；f 测试集的混淆矩阵；g 指纹识别准确率（最高96.13%）；h 不同角度下识别准确率的稳定性（>95%）。

结论

本研究成功开发了一种基于CNT/MoS₂异质结构纳米管的仿生纳米流体离子电子器件，能够在单一器件中集成光感受器与光突触双重功能。其工作机制为“光刺激-电信号-电子/离子耦合-离子信号”的转导过程，源于异质界面处光生电子-空穴分离诱导的非对称光电压驱动离子传输。在无偏压下，器件实现快速光响应；在偏压下，表现出可调突触可塑性。该器件在方向识别和指纹检测中展现出高精度与强鲁棒性，具备在机器视觉、仿生视网膜等领域的应用潜力。该研究为构建高性能、多功能的人工视觉系统提供了新的思路与材料平台。