2024年5月2日，北京大学雷霆（Ting Lei）课题组在《Science》上发布了一篇题为“N-type semiconducting hydrogel”的论文。论文内容如下：

一、 摘要

        水凝胶是一类具有可调机械性能、多样生化功能和良好离子导电性的生物界面材料，但由于缺乏半导体特性，使得水凝胶在电子学中的应用受到很大限制，通常作绝缘体或导体使用。作者基于水溶性n型半导体聚合物开发了单网络和多网络水凝胶，赋予常规水凝胶半导体能力，这些水凝胶表现出良好的电子迁移率和高开关比，实现了低功耗和高增益的互补逻辑电路和信号放大器的制备。作者还验证了具有良好生物粘附性和生物相容性界面的水凝胶电子器件可以感知和放大具有更高信噪比的电生理信号。

二、背景介绍

        由三维交联的亲水性聚合物网络组成的水凝胶，能够保持大量水分，与刚性无机材料和干聚合物相比，水凝胶的机械性能可以进行调控，可以适应各种生物组织，如软骨、皮肤、肌肉和大脑。水凝胶的结构多样易于修改，在生物功能工程中表现出极好的多功能性，通过修改不同的功能基团，水凝胶可以表现出刺激响应性和良好的界面性能，这使它们被广泛用于传感器、致动器、涂层、声学检测器、光学和电子学。传统水凝胶具有离子导电性，但缺乏电子导电性，它们的三维亲水性网络使它们成为良好的离子导体和生物相容材料。因此，水凝胶可以有效降低传统金属电极与生物组织之间的界面阻抗，有利于生物信号的采集，但离子的低导电性和低迁移率也限制了水凝胶基电子设备的信号幅度、响应速度和截止频率。

        半导体在电子学中起着至关重要的作用，通常作为开关、放大器、整流器和逻辑运算的基本元件。Hayward等人通过使用离子异质结验证了二极管和晶体管的基本功能，这为利用水凝胶构建逻辑电路提供了可行的方式，但由于离子迁移率低和与电子电路不兼容，使得设备性能和应用受到限制。

三、内容详解

3.1 单网络半导体水凝胶的设计与制备

        作者设想，如果能够开发出半导体水凝胶，就可以利用它们来建立类似传统半导体的电路，同时与组织保持良好的界面（图1A）。水凝胶通常由交联的水溶性聚合物形成， 但大多数半导体聚合物是不溶于水的，尽管通过引入离子或乙二醇链可以改善共轭聚合物的亲水性，但它们仍然需要在醇类或氯化溶剂中溶解。将阳离子引入共轭聚合物骨架中可以改善其水溶性，作者设计了一种n型水溶性半导体聚合物P(PyV)，它具有带氯反离子的阳离子主链，并且没有任何侧链（图1B）。作者认为无侧链的聚合物设计可以实现高电子性能，而离子主链则提供了电静力交联的潜力，通过密度泛函理论（DFT）计算，作者发现苯磺酸根离子与聚合物骨架之间的结合能大于氯化物离子的结合能，使得交换过程在热力学上是有利的