1. 研究背景
離子電子學(xué)（Iontronics）作為一種以離子作為載流子進(jìn)行能量和信息傳輸?shù)男屡d研究方向，于2024年被國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）評(píng)為化學(xué)領(lǐng)域十大前沿技術(shù)之一。其中，納米限域的雙電層作為核心功能界面，在決定固液界面的物理和化學(xué)性質(zhì)方面起著關(guān)鍵作用，控制著離子吸附和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等宏觀行為。因此，在過(guò)去的兩個(gè)世紀(jì)里，人們不斷探索雙電層的結(jié)構(gòu)和組成。從1853年亥姆霍茲平面模型的提出，到二十世紀(jì)中葉廣泛應(yīng)用的斯特恩模型，傳統(tǒng)導(dǎo)電固體-液體界面雙電層模型已被廣泛研究，并可通過(guò)電化學(xué)手段進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控。盡管針對(duì)絕緣介電固體和液體界面的“兩步法”雙電層模型（先電子轉(zhuǎn)移后離子遷移）于2019年被提出，然而如何在介電固體表面實(shí)現(xiàn)雙電層的高效動(dòng)態(tài)調(diào)控仍缺乏有效方法，這成為制約該領(lǐng)域發(fā)展的重要科學(xué)問(wèn)題。
2. 文章概述
中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所魏迪研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)接觸起電引發(fā)的摩擦誘導(dǎo)極化，遠(yuǎn)程調(diào)控介電固體表面雙電層內(nèi)的電荷分布和遷移，促進(jìn)不對(duì)稱(chēng)雙電層形成，實(shí)現(xiàn)了高效的能量與信息流。
麥克斯韋妖（Maxwell’s demon）是物理學(xué)史上著名的思想實(shí)驗(yàn)，由詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）在1871年提出，旨在探討熱力學(xué)第二定律的邊界條件。該假想實(shí)驗(yàn)描述了一個(gè)能夠感知并控制單個(gè)分子運(yùn)動(dòng)的“妖”，它通過(guò)無(wú)耗能地操縱分子運(yùn)動(dòng)，似乎可以在不消耗功的情況下降低系統(tǒng)熵，從而挑戰(zhàn)熱力學(xué)第二定律。后續(xù)研究證明，其分子操控必須依賴(lài)信息處理，而信息獲取與擦除必然消耗能量，因此并未真正違反熵增原理。本研究創(chuàng)新性地利用摩擦電誘導(dǎo)離子極化模擬麥克斯韋妖的分子操控機(jī)制，通過(guò)摩擦界面電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)離子定向遷移。
在能量流方面，開(kāi)發(fā)了較高電荷密度的摩擦離子電子學(xué)(triboiontronics)納米發(fā)電機(jī)。通過(guò)優(yōu)化復(fù)合材料中介電基底的電負(fù)性和金屬薄膜電荷收集層的覆蓋率，調(diào)節(jié)固-液接觸起電，實(shí)現(xiàn)了雙電層電荷密度的有效調(diào)控。摩擦誘導(dǎo)極化進(jìn)一步增強(qiáng)兩個(gè)雙電層間之間的電荷非對(duì)稱(chēng)分布，促進(jìn)離子濃度梯度建立，顯著提升離子定向遷移與電荷轉(zhuǎn)移效率。使得增強(qiáng)物理吸附式摩擦離子電子學(xué)納米發(fā)電機(jī)（EP-TING）的轉(zhuǎn)移電荷密度提升至2347.12 mC/m2，較傳統(tǒng)基于雙電層動(dòng)態(tài)調(diào)控的能量俘獲裝置提高了數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)策略性地調(diào)控電荷收集層的金屬材料并引入特定氧化還原反應(yīng)，開(kāi)發(fā)了協(xié)同增強(qiáng)策略的納米發(fā)電機(jī)（ES-TING）。其利用氧化還原電位與摩擦誘導(dǎo)極化的協(xié)同作用進(jìn)一步促進(jìn)離子遷移，使轉(zhuǎn)移電荷密度顯著提升至5237.51 mC/m2。
在信息流方面，通過(guò)調(diào)控摩擦誘導(dǎo)極化增強(qiáng)的不對(duì)稱(chēng)雙電層的相互作用距離，拓展了離子遷移的可控范圍，并模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)的并行處理與傳遞機(jī)制（不同價(jià)態(tài)離子可攜帶差異化信息），實(shí)現(xiàn)了高效的自驅(qū)動(dòng)水下無(wú)線信息傳輸。該方式僅需調(diào)控兩個(gè)工作面積僅為1 cm2的復(fù)合材料之間的距離，即可在液體環(huán)境中實(shí)現(xiàn)類(lèi)似人體神經(jīng)回路的數(shù)十厘米級(jí)無(wú)線信息傳輸。相較于傳統(tǒng)水下通信技術(shù)，具備抗干擾、自供能、便攜等顯著優(yōu)勢(shì)，并有望克服水下通信中的聲學(xué)多徑干擾、光吸收、電磁衰減等關(guān)鍵問(wèn)題。因此，通過(guò)調(diào)整不對(duì)稱(chēng)雙電層間的作用距離，成功拓展了離子-電子耦合的宏觀作用范圍，突破了傳統(tǒng)單一雙電層受限于納米尺度的局限，實(shí)現(xiàn)了數(shù)十厘米級(jí)別的無(wú)線信息傳輸。證明了雙電層納米限域空間內(nèi)電荷分布動(dòng)態(tài)調(diào)控可直接影響器件的宏觀性能，從而有效提升離子遷移效率和信息傳輸能力，為低功耗通信和仿生電子學(xué)的應(yīng)用拓展奠定了基礎(chǔ)。
3. 文章信息
該成果以“Harnessing triboiontronic Maxwell’s demon by triboelectric-induced polarization for efficient energy-information flow”為題發(fā)表在近期的Joule期刊上，https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101888。
4. 圖文導(dǎo)讀
圖1. 基于摩擦誘導(dǎo)極化產(chǎn)生的麥克斯韋妖能實(shí)現(xiàn)高效的能量與信息流。A. 麥克斯韋妖需要外部能量輸入來(lái)處理分子信息并控制分子行為。B. Na+泵作為生物麥克斯韋妖，通過(guò)有效轉(zhuǎn)化ATP，主動(dòng)逆濃度梯度運(yùn)輸離子。C. 利用摩擦離子電子學(xué)麥克斯韋妖開(kāi)發(fā)的EP-TING。D-G. EP-TING的工作原理。H. 典型的不同類(lèi)型發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)移電荷密度對(duì)比。I. 基于EP-TING實(shí)現(xiàn)水下無(wú)線信息傳輸?shù)墓ぷ髟?。J. 不同類(lèi)型水下無(wú)線信息傳輸方式的品質(zhì)因數(shù)比較。
圖2. 基于摩擦誘導(dǎo)極化產(chǎn)生的麥克斯韋妖可動(dòng)態(tài)調(diào)控雙電層中電荷分布與遷移。A. 摩擦誘導(dǎo)極化調(diào)控雙電層電荷密度。B-D. 雙電層電荷密度的調(diào)控機(jī)制。E-F. 通過(guò)調(diào)節(jié)介電材料的電負(fù)性可以調(diào)控雙電層電荷密度。G-H. 通過(guò)調(diào)節(jié)介電基底表面金屬層濺射時(shí)間，可以調(diào)控雙電層電荷密度電荷密度。I. 金屬層濺射時(shí)間對(duì)器件內(nèi)阻的影響。J. 不受摩擦誘導(dǎo)極化影響的金屬層濺射時(shí)間對(duì)常規(guī)摩擦離子電子學(xué)納米發(fā)電機(jī)輸出的影響。K. 摩擦誘導(dǎo)極化對(duì)EP-TING輸出的影響。L-O. 不同固體材料與水接觸形成的非對(duì)稱(chēng)雙電層中的電荷遷移比較。
圖3. 基于摩擦誘導(dǎo)極化產(chǎn)生的麥克斯韋妖實(shí)現(xiàn)了高效能量流。A. 離子的載流能力對(duì)EP-TING輸出的影響。B. 不同離子的分子動(dòng)力學(xué)仿真。C. Au/FEP復(fù)合薄膜與飽和AlCl3溶液接觸界面的雙電層模型。D-F. 利用不同飽和溶液的EP-TING的最佳輸出性能。G-I. 利用不同飽和溶液的ES-TING的最佳輸出性能。J. 電源管理系統(tǒng)的開(kāi)路電壓可達(dá)6 V。K-L. 電源管理系統(tǒng)可驅(qū)動(dòng)藍(lán)牙溫度計(jì)和LED屏幕正常運(yùn)行。
圖4. 基于摩擦誘導(dǎo)極化產(chǎn)生的麥克斯韋妖實(shí)現(xiàn)了高效信息流。A. 人體痛覺(jué)反射回路中的信息傳遞過(guò)程。B. 基于EP-TING的仿生神經(jīng)電路可控制離子的遠(yuǎn)程遷移。C. 仿生神經(jīng)電路可實(shí)現(xiàn)水下無(wú)線信息傳輸。D. 利用信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼，可將編碼的電子脈沖翻譯成可識(shí)別的字符信息。E. 基于EP-TING的仿生神經(jīng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的人機(jī)交互界面。F-G. 利用人機(jī)交互界面可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人等智能設(shè)備的靈活控制。H. 利用開(kāi)爾文探針力顯微鏡可以測(cè)試金屬功函數(shù)。I. 通過(guò)摩擦電誘導(dǎo)極化可調(diào)整金屬功函數(shù)。J. EP-TING和ES-TING在物聯(lián)網(wǎng)中具有潛在的廣泛應(yīng)用。
5. 文章結(jié)論
綜上所述，本工作系統(tǒng)研究了接觸起電引發(fā)的摩擦極化效應(yīng)，提出了一種基于摩擦離子電子學(xué)的麥克斯韋妖概念，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙電層中電荷分布與遷移的遠(yuǎn)程調(diào)控，從而賦能多功能能量與信息流控制。在能量收集領(lǐng)域，我們開(kāi)發(fā)的EP-TING實(shí)現(xiàn)了2347.12 mC/m2的超高電荷轉(zhuǎn)移密度，這一突破性成果遠(yuǎn)超傳統(tǒng)雙電層技術(shù)的性能極限。而ES-TING進(jìn)一步結(jié)合了特定氧化還原反應(yīng)，成功將電荷轉(zhuǎn)移密度提升至5237.51 mC/m2，使其成為穩(wěn)定且高效的電源管理單元。通過(guò)構(gòu)建不對(duì)稱(chēng)雙電層，該系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了高保真水下無(wú)線信息傳輸?；贓P-TING/ES-TING的自供能仿生神經(jīng)電路，通過(guò)融合便攜性、遠(yuǎn)程傳輸和抗干擾特性，有效解決了水下通信中電磁波衰減、光干擾以及聲學(xué)多徑效應(yīng)等關(guān)鍵難題。此外，在仿生神經(jīng)電路中，EP-TING與ES-TING通過(guò)離子調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電荷載流子極性及電流方向的精確控制，為構(gòu)建能量自主的智能人機(jī)交互系統(tǒng)與高階邏輯控制平臺(tái)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。值得強(qiáng)調(diào)的是，本研究創(chuàng)新性地利用摩擦誘導(dǎo)極化效應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)控金屬功函數(shù)，為鈣鈦礦光伏及新型能源轉(zhuǎn)換器件提供了效率提升新范式?？傮w而言，本研究為低能耗、多信號(hào)協(xié)同處理的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供了創(chuàng)新方案，并有望推動(dòng)后摩爾時(shí)代智能互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展。
6. 作者的話
該工作是魏迪教授近期關(guān)于離子電子學(xué)研究的最新進(jìn)展之一，其研究納米限域空間內(nèi)離子動(dòng)力學(xué)過(guò)程及離子-電子耦合關(guān)系，為新能源和類(lèi)腦計(jì)算等前沿領(lǐng)域提供了全新研究范式。以離子為信號(hào)載體的離子電子學(xué)（Iontronics）是研究納米尺度下離子行為的交叉學(xué)科。魏迪教授課題組介紹請(qǐng)登錄http://iontronics.group/。課題組長(zhǎng)期招聘博士后和科研助理，有意者歡迎登錄課題組網(wǎng)站聯(lián)系。
來(lái)源：高分子科學(xué)前沿
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