近日，学校人工智能学院周广东团队与香港理工大学柴杨教授团队联合攻关，揭示了光致蛋白构象变化动力学过程及其诱导的双向光阻变机制。研究成果发表在《科学进展》（Science Advances）期刊上。
传感器原位执行传感、存储、计算，是解决当前光电传感器、存储器、处理器物理分离带来高延迟、高功耗、低带宽等瓶颈问题的关键技术之一。现行的感内计算光电传感器主要依赖光电子-缺陷捕获、光致相变、光控导电通道等机制实现，主要表现为光辐照下的电导值升高，即正光电导效应。因此，大多数光电器件执行感知编码后，需要施加负电压脉冲对电导进行复位，这需要电路硬件资源和更多能耗。具有正负光特性的光电器件无需依赖外部电复位，从而实现全光感内计算，更加逼真模拟人类视觉系统处理复杂动态信息。
聚合物的导电性主要来源于共轭主链上的π电子离域化，这种离域化可以通过掺杂导电离子进一步增强。聚合物的高导电性由在该区域的长程有序输运所贡献，而电子短程无序跃迁通常导致低电导。纯净的丝素蛋白不导电。在开发的丝素蛋白中嵌入黑色素光活性纳米颗粒和三聚甘油后，由于光活性位点和丰富氢键网络的建立，使得合成的丝素蛋白聚合物具有良好的光响应特性。在低剂量光辐照下，出现电阻增大的现象，即负光电导特性；在高剂量光辐照下，出现了电阻减小的现象，即正光电导特性。因此，制备的三明治结构光电存储器中，可以通过调节光剂量，实现正负光电导双向响应特性，从而实现全光感内计算新范式。
为进一步揭示该体系独特的光电响应物理机制，研究结合全原子分子动力学模拟与原位表征开展交叉验证。分子动力学模拟结果表明，在不同剂量的光场调控下，蛋白质分子中的α-螺旋构象会同步发生解旋、拉伸、空间重排等动态演化。
在低剂量光辐照条件下，聚合物内α-螺旋的结构占比显著下降，并伴随低电导特性的β-转角构象占比上升、高电导特性的β-片层构象占比下降，最终诱导产生负光电导效应（Negative Photoconductance, NPC）；而在高剂量光辐照条件下，α-螺旋结构占比同样发生降低，但此时低电导的β-转角构象占比减少、高电导的β-片层构象占比持续上升，进而诱导产生正光电导效应（Positive Photoconductance, PPC）。
上述理论推演结果与丝素蛋白聚合物在不同光剂量下的原位红外光谱测试结果、导电原子力显微镜表征结果、辐照下I-V特性测试结果以及电导动态实时监测结果完全吻合。与传统无机半导体的光生载流子主导机制不同，研究提出的全新光电转化机制，通过光剂量依赖的内部二级结构构象动态演化实现了可切换的双光阻变特性，不仅为全光调控的内传感计算系统提供了原创性理论支撑与硬件实现路径，也进一步拓宽了对光电转变理论认知边界。
西南大学为论文第一完成单位，人工智能学院周广东为第一作者，香港理工大学柴杨院士为独立通讯，以上研究成果得到了国家自然科学基金联合基金重点项目、国家自然科学基金面上项目、重庆市自然科学基金联合基金重点项目、香港研究资助局、西南大学含弘研究员人才项目等的支持。
文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aee6038
