纤维素纤维的曲折结构：一种受生物启发的设计策略，用于光驱动、自供电的离子电子突触

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Cellulose Fiber Tortuosity as a Bioinspired Design Strategy for Light-Driven, Self-Powered Ionotronic Synapses

　　光控离子突触器件研究：纤维素基底弯曲度调控光热转换与突触可塑性，实现神经形态计算和加密通信。

　　

为了实现能源高效、受大脑启发的计算，人们开始关注能够模拟神经元中离子信号传递的离子电子突触。然而，大多数光驱动的突触装置忽视了离子传输结构的影响，而离子传输结构是生物学习和记忆的重要因素，其形态受到神经组织结构复杂性的制约。在这里，我们提出了一种基于纤维素纤维基底（如线材、布料和纸张）构建的双端离子电子突触装置，该装置具有可调的迂曲度，能够模拟复杂的离子传输路径。在这些纤维上制作的碳电极之间有一个约1毫米的间隙，间隙中填充了离子液体1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐（EMIM: OAc）；其中一个电极附近的间隙处还选择性涂覆了六硼化镧（LaB₆）纳米颗粒。该装置采用自供电方式工作，利用LaB₆诱导的光热转换以及EMIM: OAc中的热扩散效应，从而实现光控的突触响应。实验结果表明：在638纳米激光照射下（功率约为500毫瓦），增加基底材料的迂曲度可以降低兴奋性突触后电位（EPSP）的幅度（分别为约127毫伏、约109毫伏和约26毫伏，照射时间为1秒）；在2.5赫兹的光频率下，通过10秒开启、20秒关闭的循环模式，基底材料的迂曲度还能延长突触后电位的保持时间（分别为约245秒、约270秒和约4224秒，对应不同的基底材料）。除了EPSP外，该装置还能通过调节光参数（如频率、强度、持续时间和脉冲数量）来模拟配对脉冲促进效应（PPF）和脉冲依赖性可塑性，其工作波长范围为450–808纳米。此外，该装置还实现了光驱动的摩尔斯电码传输和二进制到十六进制数据的加密功能，进一步展示了其在安全通信方面的潜力。这项研究强调了纤维材料的迂曲度这一此前未被充分探索但极具价值的设计变量，它为开发用于神经形态视觉和通信技术的光响应型、柔性离子电子系统提供了新的思路。