11月20 日，Science发表了一项令人瞩目的成果，香港大学和剑桥大学的联合团队研发出三维水凝胶半导体及晶体管，打破了传统电子器件与生物系统之间的维度壁垒，为下一代生物电子学的发展开辟了新路径。通讯作者为香港大学的张世明教授和剑桥大学的George G.Malliaras教授。此论文也为Science当期封面论文。

电子与生命的维度鸿沟

我们日常使用的手机、电脑等电子设备，其核心部件晶体管都是二维平面结构，坚硬且规整。我们的人体组织、神经元网络却是柔软的、不规则的三维结构。这种维度的不匹配，让传统电子器件很难与生物系统实现无缝对接。

比如，当科学家想让电子设备监测大脑神经元活动，或用电子信号调控细胞行为时，坚硬的二维晶体管既无法贴合复杂的生物组织，也难以实现三维空间上的精准交互。水凝胶这种材料恰好具备类似人体组织的柔软度和生物相容性，被视为生物电子学的理想候选材料，但此前的水凝胶半导体只能做到纳米到微米级的厚度，一旦增厚就会失去导电调控功能，无法实现真正的三维应用。

电子与生命的维度鸿沟

研究团队创造性地设计了"双网络水凝胶系统"，通过相工程和结构工程，让水凝胶半导体实现了毫米级厚度的突破，同时保持着优异的性能。

第一步：搭建电子传输的高速公路

水凝胶中存在水、凝胶和水凝胶混合物三种相态，要让它具备半导体特性，首先需要形成连续的导电相。团队发现，在主导电水凝胶（如PEDOT:PSS）中加入第二种水凝胶网络（如聚丙烯酸 PAA），可以像模板一样引导导电分子形成连续的传输通道。实验显示，加入 PAA 后，水凝胶的导电率从 0.9 S/cm 大幅提升至 100 S/cm，相当于为电子搭建了畅通无阻的高速公路，同时还能保持类似人体组织的柔软度。

第二步：打造离子穿梭的"通透网络"

电子能顺畅传输还不够，晶体管的工作还需要离子的参与。团队通过三种方式调控水凝胶的孔隙率：调整原材料浓度，改变交联剂用量，以及在水凝胶成型后进行溶剂交换。这样可以将水凝胶的孔隙率精确控制在5% 到 90% 之间，形成大量微小孔洞。

有趣的是，孔隙率对电子和离子传输的影响恰好相反：孔隙率越高，电子传输越困难，但离子穿梭越顺畅。经过反复实验，团队找到了最佳孔隙率区间，在这个区间内，电子和离子的传输达到完美平衡，水凝胶晶体管的开关比（衡量晶体管性能的关键指标）高达10⁴，与最先进的二维有机晶体管相当。

关键验证：毫米级厚度的全维度调控

传统二维晶体管增厚到10 微米以上后，电容就不再随厚度线性增长，意味着无法实现全厚度的导电调控。而团队研发的水凝胶晶体管，即使厚度达到 1 毫米达到传统厚度的100 倍，电容依然与厚度保持完美的线性关系。这表明，离子能够穿透整个水凝胶通道，实现真正的三维立体调控。

在性能测试中，1 毫米厚的水凝胶晶体管开关比达到 10⁴，是同样厚度传统晶体管的 1000 倍，展现出惊人的调控效率。

图说：(A) 水凝胶半导体（PEDOT:PSS/PAA）被制成纤维形态，从而能够直接构建出三维自支撑的晶体管结构。(B) 一个集成了三维水凝胶晶体管的类脑神经形态电路示意图。该电路系统包含模拟前端、微控制单元、蓝牙模块和电解液，并由电池供电。(C) 三维互穿结构的水凝胶晶体管的真实照片。这些晶体管能够模拟大脑中神经回路的三维空间结构，并展现出在 0% 与 30% 拉伸应变下的稳定形态。图中比例尺长度为 0.5 厘米。

可量产的三维电子器件

更令人振奋的是，这种3D 水凝胶半导体可以通过简单的水溶液工艺批量生产。研究团队开发了一步法制备流程，将原材料预先混合后，通过交联反应就能形成各种形状的水凝胶半导体，厚度可从微米级到毫米级自由调节，还能制成纤维等形态，具备良好的拉伸性。实验表明即使拉伸30%，性能也不会受影响。

基于这种材料，团队成功搭建了三维互穿的晶体管阵列，这种结构酷似大脑中的神经元网络。他们将这个3D 晶体管阵列与自主研发的硬币大小的读取设备结合，构建了类脑计算系统。在手写数字识别测试中，该系统的识别准确率达到 91.93%，与传统人工神经网络相当，而且在拉伸 30% 的情况下依然能保持这个精度。

未来应用：生物电子的"三维对话"

这项技术的突破，让电子设备与生物系统的"双向沟通" 成为可能。

在生物传感领域，3D 水凝胶晶体管可以像 "电子支架" 一样，包裹细胞或组织器官，实时监测神经信号、代谢产物等生物信息，为疾病诊断提供更精准的依据；在类脑计算方面，三维互穿的晶体管阵列能够更好地模拟大脑的空间连接方式，有望开发出更高效、低功耗的神经网络计算设备；在再生医学领域，具备生物相容性的水凝胶晶体管可以植入人体，引导细胞生长和组织修复，实现 "电子调控再生"。

值得一提的是，研究团队已经验证了该材料的生物安全性，能够支持细胞培养和类器官形成，为后续的生物医学应用奠定了基础。

这项研究最大的意义，在于它打破了二维电子学的固有框架，用柔软的三维材料搭建起电子技术与生命系统的沟通桥梁。未来，随着技术的不断优化，我们或许会看到更多"可植入、可穿戴、可生长" 的电子设备，让前沿科技真正融入生命，为健康监测、疾病治疗和人工智能带来革命性的变化。

编辑 吴欧

论文信息

发布期刊 Scicence

发布时间 2025年11月20日

论文标题 Increasing the dimensionality of transistors with hydrogels

DOI: 10.1126/science.adx4514