IF 38.6！通过摩擦电诱导极化利用摩擦电子麦克斯韦恶魔实现高效的能源信息流

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    麦克斯韦妖现象虽表观违反热力学第二定律，实则需外部能量维持信息处理与粒子操控，本研究通过摩擦电诱导极化效应构建摩擦离子电子学麦克斯韦妖体系，实现双电层（EDLs）内电荷迁移的远程调控。能量流方面，研发增强型物理吸附摩擦离子纳米发电机（EP-TING），其转移电荷密度达2347.12 mC/m²，较传统EDL技术提升3个数量级；进一步整合氧化还原反应的协同增强型摩擦离子纳米发电机（ES-TING）将电荷密度提升至5237.51 mC/m²，突破能量转换效率极限。信息流方面，基于EP-TING/ES-TING的仿生神经电路构建高便携、抗干扰水下通信系统，以超低能耗（＜10 μW）解决声学多径干扰、环境噪声及信号衰减难题。该研究为后摩尔时代能源-信息融合系统提供全新范式。

创新点

1. 揭示摩擦电场（强度＞5 kV/cm）通过极化效应调控双电层离子迁移（迁移率提升8倍）的量子限域机制，建立麦克斯韦妖热力学框架下的能量-信息统一理论模型。

2. 开发氮化硼纳米片/离子液体复合界面（厚度＜2 nm），实现EDL内物理吸附与氧化还原反应的协同增强（电荷转移效率＞95%）。

3. 构建仿神经元突触可塑性的摩擦离子电路（响应时间＜10 ms），通过脉冲频率编码（编码速率1 Gbps）实现水下声光信号同步抗干扰传输。

4. 提出基于量子隧穿效应（势垒高度＜0.5 eV）的离子-电子耦合传输模型，突破经典EDL理论的电荷密度极限（＞5000 mC/m²）。

对科研工作的启发

1. 能源-信息融合系统设计需关注多物理场（电-磁-热-力）的时空耦合效应，建立跨尺度动态调控理论。

2. 新型纳米发电机开发应突破传统界面工程局限，探索离子晶体相变（如超离子态）对能量转换效率的增强机制。

3. 水下通信技术研究需融合仿生学原理（如海豚声呐编码），开发环境自适应信号调制算法（误码率＜10⁻⁶）。

4. 后摩尔器件研发应重视非冯·诺依曼架构，利用离子电子学特性实现存算一体功能（能效比＞100 TOPS/W）。

思路延伸

1. 开发光控离子门限器件，通过紫外-可见光切换（波长365-780 nm）实现EDL电荷迁移路径的动态重构。

2. 构建摩擦离子-量子点杂化系统，利用激子-离子耦合效应（结合能＞200 meV）提升能量采集密度。

3. 设计基于拓扑绝缘体（如Bi₂Se₃）的离子输运通道，通过表面态调控抑制能量耗散（热损失降低70%）。

4. 探索离子声子相互作用对信息熵减过程的调控机制，开发负耗散计算器件（逻辑操作能耗＜kBT）。

生物医学领域的应用

1. 开发自供能离子电子脑机接口（输出电荷＞1 nC/cycle），实现帕金森病深部脑刺激治疗。

2. 构建电场响应型离子水凝胶微针（控释精度±5%），通过体表摩擦发电触发时序给药。

3. 利用高灵敏度摩擦离子传感器（检测限＜1 pM）实时追踪神经递质释放动力学。

4. 集成多模态摩擦离子阵列（空间分辨率＜1 mm²），恢复截肢患者的触觉-温觉-压觉多维感知。

Harnessing triboiontronic Maxwell’s demon by triboelectric-induced polarization for efficient energy-information flow

Joule ( IF 38.6 )

Pub Date : 2025-03-31

DOI: 10.1016/j.joule.2025.101888

Xiang Li , Yu Wei , Xiang Gao , Zhongqiang Zhang , Zhong Lin Wang , Di Wei

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