Nanofluidische Geräte, die Ionen als Transportmedium verwenden, verfügen über die Funktion, biologische und nicht-biologische Schnittstellen zu verbinden. Aktuelle berichtete nanofluidische Geräte fehlen jedoch adaptive Schutzfunktionen und nichtlineare Regelungsfunktionen, die elektronischen Strombegrenzer ähneln. Zur Lösung dieses Problems berichtet diese Arbeit über einen nanofluidischen Ionenstrombegrenzer basierend auf Verbundfasern aus Graphenoxid (GO) und Nanocellulose (NCF). Das Gerät nutzt ein Nassspinnverfahren zur Herstellung geordneter Nanokanäle mit einem Zwischenlagenspalt von etwa 1 nm, wodurch ein kontrollierter Ionentransport erreicht wird. Unter starker elektrischer Feldanregung führt die schnelle Anreicherung von Ionen am Kanaleingang zum Coulomb-Blockadeeffekt, was zu einer Verringerung der Ionenkonzentration im Kanal am Eingang und zur Bildung eines Ionenkonzentrationsgradienten entgegen der Feldrichtung führt, der einen rückläufigen Ionenfluss induziert. Daher zeigt der Strom des Geräts nach Überschreiten der Spannungsschwelle einen Abwärtstrend, was einen adaptiven Stromsättigungs- und Abschwächungsmechanismus ähnlich der Funktion von elektronischen Strombegrenzer widerspiegelt. Darüber hinaus hat das auf diesem Material basierende Stimulus-Response-System erfolgreich die Leitung biologischer Nervensignale und den Mechanismus der supraliminalen Hemmung simuliert und kann den Signalträger auf Neurotransmitter-Dopamin-Moleküle erweitern. Diese Arbeit liefert neue Geräteprototypen und theoretische Grundlagen zur Entwicklung adaptiver biomimetischer Ionik-Logikschaltungen und neuromorpher Rechensysteme.

Biomimetisches intelligentes Gerät; Nanocellulose; Ionenstrombegrenzer; Nanofluid