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    哈佛大學鎖志剛教授課題組與西安交大賈坤副教授課題組合作:離磁感應助力電子與離子間信號傳遞
    2021-06-12  來源:高分子科技

      在萬物互聯的今天,人與機器的交互再次成為科學研究與生產生活所關注的焦點,催生了移動醫療、無人駕駛等新興領域。近年來,各種柔性電子與離子器件不斷涌現,其在工程、生物醫學等領域的發展依賴于集成化離-電混合系統,因而電子與離子器件間的信號傳遞至關重要。由于電子與離子在物理和化學性質上存在較大差異,電子信號與離子信號能否可靠有效地傳遞是一個重要的科學問題,將直接影響人機交互的可靠性。


      最近,哈佛大學鎖志剛教授課題組與西安交通大學賈坤副教授課題組合作,對這一重要科學問題進行了深入系統的研究,提出了一種新的信號傳遞方式——離磁感應。他們以水凝膠作為離子導體,通過電磁鐵在其周圍產生交變磁場。該交變磁場在水凝膠中產生電場,驅使自由離子定向運動以產生離子電流,從而在水凝膠兩端形成感應電動勢,實現了電子與離子間的信號傳遞。當水凝膠與電壓表相連時,能夠測得對應的開路電壓。通過實驗測量與理論計算,得到了產生的電壓不隨水凝膠離子濃度變化的重要結論。同時,基于離磁感應效應,設計了具有無線信號傳輸與運動監測功能的柔性離電子變壓器,為電子與離子間的信號傳遞提供了理論指導和發展思路。


      如圖1 所示,當與電壓表相連的水凝膠處于交變磁場中時,水凝膠中的正負離子在感生電場的作用下移動。由于水凝膠與金屬電極不發生電化學反應,正負離子分別積聚在水凝膠/電極界面處,吸引或排斥電極上的自由電子,從而在水凝膠兩端測得開路電壓。


    圖1 離磁感應基本原理


      為了深入研究離磁感應效應,他們將水凝膠擺放在金屬線圈附近,通過對金屬線圈施加交變電流以產生交變磁場,系統測量了水凝膠兩端的開路電壓(圖2)。首先, 在不同電流下,對具有不同離子濃度水凝膠兩端的開路電壓進行了測量,得到了產生的電壓與施加電流成正比且不隨離子濃度變化的重要結論。同時,發現水凝膠兩端的電壓與具有相同幾何構型的金屬導體兩端的電壓相同,即離磁感應產生的電壓與導體種類無關。這一結論與法拉第電磁感應定律相一致。其次,由于離磁感應效應與磁場大小直接相關,水凝膠的擺放位置以及水凝膠與金屬線圈之間的距離都將影響水凝膠兩端電壓的大小。此外,通過電路模型分析和有限元計算,對離磁感應效應進行了理論預測,得到了與實驗測量一致的結果。


    圖2 水凝膠兩端的離磁感生電壓


      基于離磁感應效應,他們設計了柔性離電子變壓器(圖3)。離電子變壓器由金屬線圈與同軸水凝膠線圈組成,當金屬線圈中通過交變電流時,水凝膠線圈中會感生出離子電流,從而在其兩端產生相應的電壓。結果表明,產生的電壓與水凝膠線圈的匝數以及金屬線圈中交變電流的頻率成正比。同時,除了正弦信號,該變壓器還可以有效地傳輸包含多種頻率信息的復雜信號。此外,柔性離電子變壓器具有無線信號傳輸、運動監測等功能(圖4)。


    圖3 離電子變壓器


    圖4 無線信號傳輸與運動監測


      鎖志剛教授團隊與賈坤副教授團隊合作,以水凝膠為離子導體,磁場為媒介,提出了一直新的電子信號與離子信號間傳遞的方式——離磁感應。通過理論計算與實驗測量,揭示了離磁感應效應的物理原理,設計了柔性離電子變壓器,實現了無線信號傳輸與運動監測,為離磁感應在復雜工程結構與生物組織中的應用奠定了基礎。


      這項研究工作發表于Materials Horizons。論文第一作者為王葉成博士(哈佛大學博士、博士后),第二作者為解社娟副教授(西安交通大學),第三作者為白陽(西安交通大學碩士生)。美國科學院院士、美國工程院院士、哈佛大學鎖志剛教授和西安交通大學賈坤副教授為論文通訊作者。


      論文鏈接:https://doi.org/10.1039/D1MH00418B

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