自然界只提供了一種電子，卻提供了許多種離子。
計算和信號傳播主要依靠電子作為電荷載流子，而生物主要使用離子。隨著基於軟離子導體的離子電子器件的出現，這一模式已經開始發生轉變，例如含有溶解鹽的水凝膠或者離子液體膨脹的聚合凝膠。這些離子導體提供了電子導體不易獲得的特性，包括內在的延展性、光學透明性和生物相容性等。在p型和n型半導體中空穴和電子的選擇性傳輸，以及p-n結的矯正行為，提供了二極管、晶體管和邏輯元件等。通過類比，離子運輸和選擇性離子通道可以精確控制離子進出細胞膜，使神經系統能夠進行復雜的信號處理。因此，軟離子類似物的發展有望使計算、信號處理和記憶設備具有固有的變形能力。最近以來，在固態離子二極管和晶體管中使用聚電解質凝膠已被證明。然而，這些先前的裝置受到液體電解質所固有的限制，這種電解質很容易洩漏或蒸發。.而且，他們完全依賴在法拉第電化學過程，以此實現離子電流和電流之間的轉換，通過電化學氧化還原反應速率限制了信號響應時間。這一切都歸結於電極溶解、氣體產生和化學成分的變化。
近日，馬薩諸塞大學Ryan C. Hayward教授和哈佛大學鎖志剛教授的一項最新研究表明，使用離子雙層來矯正和切換離子電流的離子彈性體二極管和晶體管，其中陰離子或陽離子被固定在彈性體網絡上，而其他離子可以移動，從而避免液體洩漏和蒸發的問題。相關論文以題為“Ionoelastomerjunctions between polymer networks of fixed anions and cations”與2020年2月13日發表在《Science》上.
論文鏈接
https://science.sciencemag.org/content/367/6479/773?rss=1
具體來看，作者製備了1-乙基-3-甲基咪唑(3-硫丙基)丙烯酸酯（ES）和1-[2-丙烯酰氧乙基]-3-丁基咪唑雙（三氟甲烷）磺酰亞胺（AT）離子彈性體聚合物，輕交聯的離子彈性體是高度可伸縮的，能與柔性和可穿戴設備的要求兼容。其中陰離子和陽離子被束縛在彈性網絡上，但其締合的反離子是可以移動的，使它們成為p型和n型電子半導體的離子類似物。聚陰離子/聚陽離子異質結，這兩個極性相反的兩個離子彈性體結產生離子雙層（IDL），它能夠在沒有電化學反應的情況下進行整流和開關離子電流。
圖1. 在兩個相反電荷的離子彈性體界面形成IDL的示意圖及相應的表徵
流動離子的耗盡和固定離子的過量在兩層之間提供了很強的靜電粘附，連接處的延展性使機電傳導成為可能。利用離子液體基團的寬電化學窗口和具有高表面積碳納米管電極/離子彈性體界面，證明了完全不屬於法拉第矯正。這一結果使可伸縮的離子電路元件，包括二極管、晶體管和機電換能器成為可能。離子彈性體完全由交聯聚電解質網絡和相關的反離子構成，不含任何的液體成分。因此，它們本質上不受洩漏或蒸發的影響。
圖2. 離子彈性體二極管
圖3. 離子彈性體晶體管
圖4. 離子彈性體機電換能器
通過本文的研究，展現了離子彈性體異質結結構表現為流動離子的熵耗盡，最終形成離子雙層（IDL）的過程。同時採用高比表面積的碳納米管電極，作者展示了基於電容性的非法拉第過程的無液體離子彈性體二極管、晶體管和機電換能器。基於以上，作者在文章最後指出，自然界只提供了一種電子，卻提供了許多種離子，這可能很快就會轉化為具有廣泛的物理、化學和生物活性的離子彈性體裝置。
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