中科院纳米能源所魏迪研究员Joule：摩擦诱导极化激活麦克斯韦妖实现高效能量-信息流

1. 研究背景

离子电子学（Iontronics）作为一种以离子作为载流子进行能量和信息传输的新兴研究方向，于2024年被国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）评为化学领域十大前沿技术之一。其中，纳米限域的双电层作为核心功能界面，在决定固液界面的物理和化学性质方面起着关键作用，控制着离子吸附和反应动力学等宏观行为。因此，在过去的两个世纪里，人们不断探索双电层的结构和组成。从1853年亥姆霍兹平面模型的提出，到二十世纪中叶广泛应用的斯特恩模型，传统导电固体-液体界面双电层模型已被广泛研究，并可通过电化学手段进行动态调控。尽管针对绝缘介电固体和液体界面的“两步法”双电层模型（先电子转移后离子迁移）于2019年被提出，然而如何在介电固体表面实现双电层的高效动态调控仍缺乏有效方法，这成为制约该领域发展的重要科学问题。

2. 文章概述

中国科学院北京纳米能源与系统研究所魏迪研究员团队通过接触起电引发的摩擦诱导极化，远程调控介电固体表面双电层内的电荷分布和迁移，促进不对称双电层形成，实现了高效的能量与信息流。

麦克斯韦妖（Maxwell’s demon）是物理学史上著名的思想实验，由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）在1871年提出，旨在探讨热力学第二定律的边界条件。该假想实验描述了一个能够感知并控制单个分子运动的“妖”，它通过无耗能地操纵分子运动，似乎可以在不消耗功的情况下降低系统熵，从而挑战热力学第二定律。后续研究证明，其分子操控必须依赖信息处理，而信息获取与擦除必然消耗能量，因此并未真正违反熵增原理。本研究创新性地利用摩擦电诱导离子极化模拟麦克斯韦妖的分子操控机制，通过摩擦界面电场驱动离子定向迁移。

在能量流方面，开发了较高电荷密度的摩擦离子电子学(triboiontronics)纳米发电机。通过优化复合材料中介电基底的电负性和金属薄膜电荷收集层的覆盖率，调节固-液接触起电，实现了双电层电荷密度的有效调控。摩擦诱导极化进一步增强两个双电层间之间的电荷非对称分布，促进离子浓度梯度建立，显著提升离子定向迁移与电荷转移效率。使得增强物理吸附式摩擦离子电子学纳米发电机（EP-TING）的转移电荷密度提升至2347.12 mC/m2，较传统基于双电层动态调控的能量俘获装置提高了数个数量级。在此基础上，通过策略性地调控电荷收集层的金属材料并引入特定氧化还原反应，开发了协同增强策略的纳米发电机（ES-TING）。其利用氧化还原电位与摩擦诱导极化的协同作用进一步促进离子迁移，使转移电荷密度显著提升至5237.51 mC/m2。

在信息流方面，通过调控摩擦诱导极化增强的不对称双电层的相互作用距离，拓展了离子迁移的可控范围，并模拟生物神经系统的并行处理与传递机制（不同价态离子可携带差异化信息），实现了高效的自驱动水下无线信息传输。该方式仅需调控两个工作面积仅为1 cm2的复合材料之间的距离，即可在液体环境中实现类似人体神经回路的数十厘米级无线信息传输。相较于传统水下通信技术，具备抗干扰、自供能、便携等显著优势，并有望克服水下通信中的声学多径干扰、光吸收、电磁衰减等关键问题。因此，通过调整不对称双电层间的作用距离，成功拓展了离子-电子耦合的宏观作用范围，突破了传统单一双电层受限于纳米尺度的局限，实现了数十厘米级别的无线信息传输。证明了双电层纳米限域空间内电荷分布动态调控可直接影响器件的宏观性能，从而有效提升离子迁移效率和信息传输能力，为低功耗通信和仿生电子学的应用拓展奠定了基础。

3. 文章信息

该成果以“Harnessing triboiontronic Maxwell’s demon by triboelectric-induced polarization for efficient energy-information flow”为题发表在近期的Joule期刊上，https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101888。

4. 图文导读

图1. 基于摩擦诱导极化产生的麦克斯韦妖能实现高效的能量与信息流。A. 麦克斯韦妖需要外部能量输入来处理分子信息并控制分子行为。B. Na+泵作为生物麦克斯韦妖，通过有效转化ATP，主动逆浓度梯度运输离子。C. 利用摩擦离子电子学麦克斯韦妖开发的EP-TING。D-G. EP-TING的工作原理。H. 典型的不同类型发电机的转移电荷密度对比。I. 基于EP-TING实现水下无线信息传输的工作原理。J. 不同类型水下无线信息传输方式的品质因数比较。

图2. 基于摩擦诱导极化产生的麦克斯韦妖可动态调控双电层中电荷分布与迁移。A. 摩擦诱导极化调控双电层电荷密度。B-D. 双电层电荷密度的调控机制。E-F. 通过调节介电材料的电负性可以调控双电层电荷密度。G-H. 通过调节介电基底表面金属层溅射时间，可以调控双电层电荷密度电荷密度。I. 金属层溅射时间对器件内阻的影响。J. 不受摩擦诱导极化影响的金属层溅射时间对常规摩擦离子电子学纳米发电机输出的影响。K. 摩擦诱导极化对EP-TING输出的影响。L-O. 不同固体材料与水接触形成的非对称双电层中的电荷迁移比较。

图3. 基于摩擦诱导极化产生的麦克斯韦妖实现了高效能量流。A. 离子的载流能力对EP-TING输出的影响。B. 不同离子的分子动力学仿真。C. Au/FEP复合薄膜与饱和AlCl3溶液接触界面的双电层模型。D-F. 利用不同饱和溶液的EP-TING的最佳输出性能。G-I. 利用不同饱和溶液的ES-TING的最佳输出性能。J. 电源管理系统的开路电压可达6 V。K-L. 电源管理系统可驱动蓝牙温度计和LED屏幕正常运行。

图4. 基于摩擦诱导极化产生的麦克斯韦妖实现了高效信息流。A. 人体痛觉反射回路中的信息传递过程。B. 基于EP-TING的仿生神经电路可控制离子的远程迁移。C. 仿生神经电路可实现水下无线信息传输。D. 利用信息交换标准代码，可将编码的电子脉冲翻译成可识别的字符信息。E. 基于EP-TING的仿生神经控制系统开发的人机交互界面。F-G. 利用人机交互界面可实现机器人等智能设备的灵活控制。H. 利用开尔文探针力显微镜可以测试金属功函数。I. 通过摩擦电诱导极化可调整金属功函数。J. EP-TING和ES-TING在物联网中具有潜在的广泛应用。

5. 文章结论

综上所述，本工作系统研究了接触起电引发的摩擦极化效应，提出了一种基于摩擦离子电子学的麦克斯韦妖概念，实现了对双电层中电荷分布与迁移的远程调控，从而赋能多功能能量与信息流控制。在能量收集领域，我们开发的EP-TING实现了2347.12 mC/m²的超高电荷转移密度，这一突破性成果远超传统双电层技术的性能极限。而ES-TING进一步结合了特定氧化还原反应，成功将电荷转移密度提升至5237.51 mC/m2，使其成为稳定且高效的电源管理单元。通过构建不对称双电层，该系统还实现了高保真水下无线信息传输。基于EP-TING/ES-TING的自供能仿生神经电路，通过融合便携性、远程传输和抗干扰特性，有效解决了水下通信中电磁波衰减、光干扰以及声学多径效应等关键难题。此外，在仿生神经电路中，EP-TING与ES-TING通过离子调制，实现了对电荷载流子极性及电流方向的精确控制，为构建能量自主的智能人机交互系统与高阶逻辑控制平台提供了关键技术支撑。值得强调的是，本研究创新性地利用摩擦诱导极化效应动态调控金属功函数，为钙钛矿光伏及新型能源转换器件提供了效率提升新范式。总体而言，本研究为低能耗、多信号协同处理的物联网系统提供了创新方案，并有望推动后摩尔时代智能互联技术的发展。

6. 作者的话

该工作是魏迪教授近期关于离子电子学研究的最新进展之一，其研究纳米限域空间内离子动力学过程及离子-电子耦合关系，为新能源和类脑计算等前沿领域提供了全新研究范式。以离子为信号载体的离子电子学（Iontronics）是研究纳米尺度下离子行为的交叉学科。魏迪教授课题组介绍请登录http://iontronics.group/。课题组长期招聘博士后和科研助理，有意者欢迎登录课题组网站联系。

来源：高分子科学前沿

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