他，發完Science封面論文之后，連發2篇Nature大子刊綜述：水凝膠半導體！

π共軛水凝膠半導體：讓電子器件像組織一樣柔軟

在生物電子學與柔性電子器件飛速發展的今天，傳統半導體材料的“硬傷”日益顯現。硅等無機半導體以及多數有機半導體雖性能優異，卻因剛性大、模量高，與人體組織在力學和形態上存在根本性失配。傳統硅或有機半導體材料的楊氏模量處于兆帕至吉帕斯卡范圍，而生物組織為千帕斯卡級別，同時前者為二維平面形態，難以匹配生物系統柔軟、不規則且三維的本質特征。即便通過拉伸設計改善了延展性，其本質硬度依然限制著與柔軟、濕潤、三維生物界面的無縫貼合。

長期以來，水凝膠因其組織樣的柔軟性、三維結構和良好生物相容性，被廣泛應用于醫療敷料、細胞培養和藥物遞送。然而，傳統水凝膠因缺乏半導體特性，僅能作為被動導體，無法實現信號放大、邏輯運算等核心電子功能。這一矛盾催生了科學家對兼具半導體功能與組織級柔軟度的新型材料的迫切探索。

香港大學張世明教授課題組系統提出了π共軛水凝膠半導體的設計原則。 這類材料通過在水凝膠網絡中構建共軛聚合物的三維連續相，成功將離子傳輸、電子傳輸及離子-電子轉換功能整合于一體，同時保留了水凝膠的高含水率、低模量和宏觀三維結構。該文從材料設計、制備策略、表征方法到性能基準，為這一快速發展的交叉領域建立標準化框架，旨在推動其在實時時空生物學研究、可穿戴健康監測和植入式醫療等方向的實質應用。相關論文以“Design principles for π-conjugated hydrogel semiconductors”為題，發表在Nature Materials上。

圖1直觀揭示了水凝膠半導體的“破局”邏輯。 常規有機半導體雖可實現高開關比，但剛性且厚度局限于微觀尺度（100微米為微觀與宏觀尺度的分界）。導電水凝膠雖可實現宏觀厚度和柔軟性，但不具備半導體行為（開關能力，以開關比量化）。水凝膠半導體則解決了這一矛盾，通過體相調制同時實現宏觀厚度、柔軟性和開關能力。圖1b展示了一種基于獨立式水凝膠半導體的可拉伸離子-電子晶體管的光學圖像，呈現其比色行為。圖1c進一步指出，水凝膠半導體中離子傳輸、電子傳輸和離子-電子轉換對于實現電導開關行為及雙向細胞-晶體管交互至關重要，為其在生物界面的應用奠定了基礎。

圖1 | 水凝膠半導體的興起：將離子傳輸、電子傳輸和離子-電子轉換整合于生命軟物質中。a，水凝膠半導體、水凝膠導體與常規有機半導體的比較。常規有機半導體可實現高開關比，但剛性且厚度局限于微觀尺度（100微米為微觀與宏觀尺度的分界）。水凝膠導體可實現宏觀厚度和柔軟性，但不具備半導體行為（開關能力，以開關比量化）。水凝膠半導體解決了這一矛盾，通過體相調制同時實現宏觀厚度、柔軟性和開關能力。符號對應n型增強模式、n型耗盡模式、p型增強模式、p型耗盡模式以及通過體相調制工作的常規有機半導體，厚度指半導體的體相調制厚度。b，基于獨立式水凝膠半導體的可拉伸離子-電子晶體管的比色行為光學圖像。c，水凝膠半導體中的離子傳輸、電子傳輸和離子-電子轉換對于實現雙向細胞-晶體管交互的電導開關行為至關重要。

圖2對比了不同半導體材料的力學與結構特性。 無機半導體（如硅）因高度結晶的共價鍵和電子離域，楊氏模量高達吉帕斯卡級，其剛性、無孔晶格完全排斥水分子，無法溶脹。有機半導體雖含柔性聚合物鏈，但仍具較高結晶度，模量處于兆帕至吉帕斯卡范圍，僅具備有限柔韌性且溶脹能力極低。而水凝膠半導體則通過在水環境中形成三維多孔網絡，將楊氏模量降至1-100 kPa的組織級別，同時具備高溶脹性和優異的離子傳輸能力，從根本上解決了與柔軟生物組織的力學失配問題。

圖2 | 無機、有機和水凝膠半導體的比較。a，無機半導體（如硅）因高度結晶的共價鍵和電子離域，楊氏模量高達吉帕斯卡級。其剛性、無孔晶格無法容納溶劑分子（如水），阻止溶脹。有機半導體雖含柔性聚合物鏈，但仍具高結晶度，模量在兆帕至吉帕斯卡范圍，具有柔韌性但溶脹能力有限。水凝膠半導體通過將楊氏模量降至千帕級（1-100 kPa），與生物組織匹配，同時具備高溶脹性和優異的離子傳輸能力。b，水凝膠半導體的照片，展示了其優異的柔韌性和可拉伸性。

圖3以時間軸梳理了水凝膠半導體的發展歷程。 水凝膠半導體的出現代表了一個匯聚有機電子學、軟物質科學、電化學和超分子化學的交叉學科研究努力，目標是最大程度減小電子-生物失配，以實現軟-濕界面的無縫生物電子應用。從1925年首個晶體管專利、1993年氧化還原水凝膠報道，到1999年導電水凝膠作為三維超級電容器應用，2003年雙網絡水凝膠的突破，直至2019年后PEDOT:PSS基水凝膠半導體的系統性研究，整個發展路徑涵蓋了多學科的深度交叉。近年來，研究者已成功開發出開關比達1000的微米級器件、拉伸性高達600%的超彈性晶體管，以及厚度達毫米級的宏觀三維水凝膠半導體，顯著推動了該領域的前進。

圖3 | 水凝膠半導體發展路線圖。水凝膠半導體的出現代表了一個匯聚有機電子學、軟物質、電化學和超分子化學的交叉學科研究努力。目標是最小化電子-生物失配，以實現軟-濕界面的無縫生物電子應用，包括但不限于軟體和活體電子學、可穿戴醫療設備及植入式醫療技術。

圖4系統闡述了水凝膠半導體的材料構建策略。 與通過熱加工去除溶劑形成干態薄膜的傳統半導體加工不同，水凝膠半導體采用直接水-凝膠相變策略，在加工過程中保留水分，通過形成三維多孔網絡以促進離子傳輸，隨后進行后加工以精修網絡（圖4a）。其材料組成（圖4b）包含三個關鍵部分：半導體網絡、支撐網絡和摻雜網絡。為優化電子傳輸，需通過相工程（圖4c）增強導電填料的體積分數并降低逾滲閾值，確保連續導電通路的形成。而離子傳輸的優化則依賴于介觀結構工程（圖4d），通過調控平均孔徑（Dp）、孔間連接尺寸（Dw）和交聯網絡的網孔尺寸（ξ），可實現離子電導率的顯著提升。最終，離子與電子傳輸的平衡通過最大化離子-電子轉換效率來優化半導體性能。

圖4 | 構建水凝膠半導體的材料策略。a，常規半導體聚合物薄膜加工（干態、水合及電解質溶脹狀態）與水凝膠半導體加工的差異示意圖。前者采用熱加工去除溶液中的溶劑以形成導電干膜，而后者采用直接水-凝膠相變，通過形成三維多孔網絡保留溶液中的水分以促進離子傳輸，隨后進行后加工以精修網絡。b，水凝膠半導體的材料組分，包括半導體網絡、支撐網絡和摻雜劑。c，促進電子傳輸的相工程。d，促進離子傳輸的介觀結構工程。平衡離子和電子傳輸可通過最大化離子-電子轉換效率優化半導體性能；Dp為孔徑，Dw為孔間連接尺寸，ξ為交聯網絡的網孔尺寸。GelMA，明膠甲基丙烯酰；DMSO，二甲基亞砜；GOPS，（3-縮水甘油氧基丙基）三甲氧基硅烷。

圖5聚焦于水凝膠半導體的網絡設計與加工條件。 圖5a左側展示了PEDOT:PSS水凝膠的示意相圖，相變閾值由聚合物濃度和離子強度共同決定，存在兩相區、純液相和純凝膠區；中部示意圖顯示水凝膠半導體作為三維有機混合離子-電子導體（OMIEC），在高溶脹聚合物網絡內同時傳輸離子和電子；右側則呈現電子電導率與加工條件的典型逾滲關系。文章介紹了三種網絡構建方法：共混法（一鍋法同步凝膠，成本低但需添加表面活性劑或相容劑以避免相分離和填料團聚）、滲透法（先形成一種網絡再滲入另一種，初始電導率高但存在滲透不完全和結構不均勻風險）和模板法（利用模板引導半導體網絡自組裝，均勻性和連續性最優但工藝復雜）。方法選擇需根據應用對結構均勻性、生物相容性和工藝復雜度的需求進行權衡。

圖5 | 水凝膠半導體的網絡設計與加工。a，左：PEDOT:PSS水凝膠的示意相圖，顯示兩相區、純液相和純凝膠區。相變閾值由聚合物濃度和離子強度共同決定。中：水凝膠半導體是三維OMIEC，在高溶脹聚合物網絡內同時傳輸離子和電子。右：電子電導率與加工條件（如PSS濃度）的關系，展示逾滲行為。b，構建水凝膠半導體的三種網絡設計方法：共混法、滲透法和模板法，分別對應不同的加工路徑和最終網絡形貌。

在性能評價方面，離子傳輸效率可通過離子電導率（通常為1-100 mS cm?1）、離子遷移率和離子擴散系數等指標衡量。電子傳輸則依賴于連續逾滲路徑和電子遷移率，但準確表征電子遷移率面臨離子導電通路干擾、瞬態溶脹行為等實驗挑戰，需采用飛行時間測量或在OECT構型中進行小信號分析等專門方法。離子-電子轉換效率的核心評價指標包括OECT器件的開關比（目前水凝膠半導體可達102至10?）、乘積因子μelectronC（反映信號放大能力）以及偽電容與體相電容之比Cp/C（可通過循環伏安法等電化學手段直接獲取，作為評估轉換效率的本征材料指標）。此外，閾值厚度dth作為衡量體相摻雜能力的關鍵參數，在水凝膠半導體中因三維多孔結構可擴展至毫米級，遠超傳統薄膜器件。文章還指出，傳統離子或電子轉移理論假設單一過程為限速步驟，而在水凝膠半導體中兩者同時發生，因此建立統一的離子-電子耦合電荷轉移模型（如Bazant提出的耦合離子-電子轉移理論）對深入理解其工作機理至關重要。

展望未來，水凝膠半導體不僅為解決傳統OMIEC材料的力學和厚度限制提供了直接路徑，更開啟了從二維剛性半導體向三維柔軟半導體過渡的新紀元。 三大應用方向展現出巨大潛力：實時時空生物學研究——將傳統靜態、離體的生物學觀察轉變為對活體動態過程的連續監測；可穿戴健康監測——通過提升電極的共形接觸和信號質量，減少運動偽跡和免疫反應；植入式醫療——實現與細胞及組織的多尺度集成，支持程序化組織工程和可控藥物釋放。此外，水凝膠半導體在軟體機器人（開發靈敏的人工肌肉）、環境與海洋傳感、可編程超級電容器與電池以及低成本軟體顯示器等領域也具有潛在應用價值。

尤為前瞻的是，文章提出了 “生物本征電子學”（biointrinsic electronics） 的全新概念——即從材料分子和結構設計層面，使電子系統的力學模量、水合狀態、信號轉導模式、維度結構和化學組成與生物系統天然匹配，而非依賴外部工程策略逐項解決失配問題。這一定義區別于“生物啟發電子學”的關鍵在于，它要求在同一材料體系中同時解決力學、水合和維度等多重失配，而非逐一攻克。這一愿景為未來生物電子學、軟體機器人和環境傳感等領域開辟了全新的研究方向。