模仿生物離子通道：臺大團隊研發超薄鐵電氧化物膜打造離子二極體 成果發表於Nature Communications

臺大材料系特聘教授陳俊維研究團隊，成功開發超薄且具有自發性極化的鐵電薄膜，展現獨特的奈米流體傳輸行為。實現具備方向性離子傳輸功能的「離子二極體」(Ionic Diode)，並可透過外部pH值環境調控實現極化切換，模擬生物細胞膜離子通道的特性 。此項突破性的研究成果已於 2026年1月發表於國際期刊《自然通訊》Nature Communications。

受生物離子通道(Biological ion channels)啟發的人造離子二極體，傳統上多需透過複雜的幾何不對稱設計（如漏斗狀或錐形孔洞）或表面電荷修飾來達成離子整流效果 。然而，臺大研究團隊提出全新策略，利用鐵電材料內部的「自發極化」(Spontaneous polarization)特性，在完全對稱的孔洞結構中產生電荷分布的不對稱性，從而達成離子流的整流(Ion current rectification, ICR)。

研究團隊利用超薄單晶鐵電材料鐵酸鉍(BiFeO3, BFO)對稱型單奈米孔膜，厚度僅約30奈米，遠低於傳統聚合物薄膜的數十微米，更能真實類比僅有數奈米厚的天然細胞膜。此研究最大的挑戰為利用電子顯微鏡在超薄的鐵電懸空薄膜(freestanding membrane)製備僅有幾奈米的孔洞，進而觀測離子傳輸行為。實驗結果發現，此離子二極體在如此薄的厚度仍具有穩定的離子整流率，因為其自發極化效應。更具突破性的是，該鐵電奈米孔膜具有「刺激響應」特性。透過調節環境pH值，可誘發鐵電極化方向的翻轉，進而反轉離子的傳輸方向。此外，該研究也觀測到顯著的「滲透能發電」(Osmotic power generation)效能，證明此材料在發展離子電路、生物傳感與綠色能源轉換領域具備極大的應用價值。此成果不僅在鐵電氧化物薄膜材料設計上展現創新，也為未來奈米流體學與人工生物膜的研究開創新方向。

此合作研究由臺灣大學、成功大學、臺灣科技大學及中央研究院等單位共同參與。研究經費由國科會及教育部高教深耕計畫「臺大新穎材料原子級科學研究中心(AI-Mat)」支持 。

研究成果全文：https://www.nature.com/articles/s41467-025-68262-7