Chun-Hao Chiang, Chia-Chun Wei, Pai-Chia Kuo, Wei-Lun Hung, Yin-Cheng Lin,
Li-Shu Wang, Chia-An Lung, Ting-Ran Liu, Zih-Wei Cyue, Jessie Shiue, Yen-Lin Huang,
Jan-Chi Yang, Li-Hsien Yeh & Chun-Wei Chen
Nature Communications, 2026, 17,1542

國立成功大學 物理學系 楊展其教授
國立臺灣科技大學 化學工程系 葉禮賢特聘教授
國立臺灣大學 材料科學與工程學系 陳俊維特聘教授

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 。由臺灣大學材料系陳俊維教授、成功大學物理系楊展其教授與臺灣科技大學化工系葉禮賢教授組成之跨校合作團隊，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） 。此成果實現了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《自然通訊》期刊（Nature Communications） 。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了新方向。