Nature Communications：原子级厚度石墨烯分隔的电解质结之间的电信号传输

研究背景

在自然界中，膜被广泛用于把电解质分隔成不同的区室，同时允许区室之间进行通信。这类通信通常依赖信号物质的跨膜输运，例如调控膜电位的钠离子和钾离子，以及传递神经信号的神经递质；人工膜也已复现了类似功能。然而生物膜还能传导由膜不可渗透物质所携带的信号，这种无需质量输运的信号模式支撑着视觉、嗅觉和味觉等重要过程，但在人工体系中的研究仍很少。已有工作利用嵌入膜中的仿生分子的构象变化来传递信息，而其他跨膜通信机制在很大程度上仍是未知的，这为原子级薄材料所提供的新途径留下了探索空间。

作者提出假设：原子级薄膜可以在无质量输运的情况下传输界面双电层电势信号，而这是较厚膜所无法实现的功能。在膜与电解质的界面处，载流子之间的直接交换被能垒阻断，双电层的电势降只能渗入膜体内几个原子层，因此在厚膜中该电势对膜另一侧的影响可以忽略，但在原子级厚度下这一约束可能不再成立。少层石墨烯为此提供了理想的测试体系：它对所有离子和分子不可渗透，且费米能级附近有限的载流子浓度无法有效屏蔽垂直电场，因此在一侧石墨烯-电解质界面施加电势，有望促使另一侧双电层中的离子重新分布并产生可测量的电势变化。

成果简介

近日，厦门大学胡晟教授、新加坡国立大学Kostya S. Novoselov杰出教授和新加坡国立大学Maxim Trushin高级研究员合作，在Nature Communications上发表了题为“Electrical signal transmission across electrolyte junctions separated by atomically-thin graphene”的研究论文。该工作证明，原子级薄的石墨烯晶体虽然对任何离子和分子都不可渗透，却能够在不发生显著衰减的情况下把界面电势跨电解质结传输到另一侧。在单层石墨烯中，于一侧石墨烯-电解质界面施加电势，会在另一侧诱导出幅值相近的响应电势，其大小由离子尺寸决定；随着石墨烯层数增加，响应逐渐衰减，并在约5层时消失。理论分析将这一现象归因于石墨烯可调的载流子浓度与其极端薄的厚度的共同作用。这种无需质量输运即可传递激活刺激的能力，有望应用于人工突触及其他神经形态结。

图文导读

图1 跨膜电势的测量。(a) 器件示意图：机械剥离的石墨烯悬空于氮化硅衬底的微米级孔上，分隔顶部和底部两个装有等浓度氯化钾溶液的储液池，两侧各设Ag/AgCl电极，石墨烯接地。(b) 单层石墨烯器件的电导随顶部栅压Vt的双极性变化，栅压使石墨烯费米能级相对于电中性点移动，电导极小值出现在正Vt处，表明电解质对石墨烯的电子掺杂。(c) 在底部电压Vb=0的短路条件下测得的输出电流Ib，施加0.1 V的Vt后底部出现皮安量级的负电流；(d) 在底部电流Ib=0的条件下测得的补偿电压Vb，其饱和值Vb0几乎等于Vt。插图为不同栅压配置下石墨烯两侧的电势分布示意。(e) 代表性单层石墨烯器件中Vb0与Ib0随Vt的变化，黑线表示Vb0=Vt的关系。(f) Ib0与Vb0之间呈线性关系，红线为最佳线性拟合。所有实验均使用0.01 M、pH约6.5的氯化钾溶液。

图2 离子尺寸对传输信号的调控。(a) 顶部储液池分别使用LiCl、NaCl、KCl和CsCl溶液（底部保持KCl，浓度均为0.01 M）时，单层石墨烯中Vb0随Vt的变化，实线表示Vb0=Vt。在正Vt下，Vb0随阳离子水合直径增大而减小，Li+的Vb0比K+约小30%；在负Vt下，所有电解质均得到Vb0≈Vt，这与石墨烯表面聚集的均为氯离子相一致。插图为4个单层器件中Li+与K+的Vb0之比：灰色柱取自Vt=-0.6 V，红色柱取自Vt=+0.6 V。(b) 在不同Vt下，Vb0随阳离子水合直径倒数1/dH的变化近似呈线性，虚线为按Vb0=Vt·dH(K+)/dH(M+)给出的预测，其中K+的水合直径取6.6 Å。

图3 原子级薄石墨烯界面处电势分布的机制。(a) 层数从1层到10层以上的多层石墨烯中Vb0随Vt的变化，两侧储液池均为0.01 M氯化钾。空心符号为实验数据，实线为将Stern层介电常数εS作为唯一拟合参数所得的理论预测；插图为拟合得到的εS随层数的变化，箭头标出体相水的介电常数约80。(b) Ib0与Vb0随石墨烯层数增加而衰减，误差棒为至少三个器件的标准差。(c) Ib=0时顶部和底部界面处电势降的示意图，仅示出Stern层（绿色虚线为其边界）。两侧Stern层内的电势斜率绝对值相等，而石墨中的斜率取决于介电常数比εS/εg；紫色和绿色球代表水合尺寸不同的离子，灰色球代表碳原子。

总结展望

本工作证明原子级厚度的石墨烯对电双层电势信号是“透明”的：在单层石墨烯中，施加于一侧界面的电势可近乎无损地传输到另一侧（Vb0≈Vt），其幅值由顶部储液池中阳离子的水合直径决定并满足Vb0≈Vt·dH(K+)/dH(M+)的标度关系；随着层数增加，传输电势逐渐衰减，四层时Vb0/Vt已降至约9%，五层及以上降至约5%并饱和于体相石墨的水平，与多层石墨烯约4~5层的电荷屏蔽长度相吻合。用铜或金薄膜替代石墨烯时观测不到任何传输电势，说明这一现象是原子级薄导体不完全静电屏蔽的本征特性。将多层石墨烯建模为两外层带有不等表面电荷的电容器，可以定量描述层数依赖性，并给出少层石墨烯界面处Stern层的有效介电常数εS≈2，远低于体相水的约80，与二维受限水的报道值相当，表明界面水偶极在垂直于石墨烯方向的转动自由度受到强烈抑制。

这种在两个电解质区室保持化学隔离的同时实现电通信的能力，有望应用于基于膜的化学传感、离子电子学信号处理、人工突触结和膜电子学。作者进一步给出了初步的概念验证：在一侧界面引入带电分子刺激可以从另一侧被电学检测，脉冲电输入可以跨石墨烯结动态传输并表现出频率依赖的衰减和历史依赖的信号累积。单层二硫化钼的补充测量表明跨膜电势传输并非石墨烯独有，但信号更弱并强烈依赖于膜材料的电子结构和电化学稳定性。更广泛地说，这种双栅方法允许独立调控两个原本相同的固液界面的电解质环境，为在可控且不对称的边界条件下直接比较界面效应、探测电双层结构及相关界面静电与电化学现象提供了一种实验工具。

文献链接

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-78067-x