今天,互联网正将每个人与周围的一切连接起来,生成数据、从中分析学习并创造实际价值。物联网的飞速发展,使得人机交互成为了科学研究的焦点,同时催生出了健康实时监测、自动驾驶汽车等新兴领域。而水凝胶是一种含有大量水和游离离子的聚合物网络,是人机交互界面的理想桥接材料。目前,科研人员开发出了各种生物电子与离子器件,其在各领域的应用依赖于电子信号和离子信号之间的稳定传输。由于电子和离子的物理和化学性质差异较大,实现电子信号和离子信号的可靠传输是一个重要的挑战。

鉴于此,哈佛大学锁志刚教授联合西安交通大学贾坤副教授创造性地提出了一种通过磁场,将电信号单向传递给离子信号的方法。实验表明,产生的电压与水凝胶中离子的浓度无关,并且与施加到电磁线圈的电流呈线性关系。这种电子和离子之间的非接触式传递可用于无线信号传输和非接触式运动检测。该项工作为电子与离子之间的信号传递提供了理论指导和发展思路。该研究以题为“Transduction between magnets and ions”的论文发表在最新一期《 Materials Horizons》上。

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【电子与离子信号传递的原理】

作者以水凝胶作为离子导体(图1)。在电磁铁产生的交变磁场作用下,水凝胶内部的离子产生定向移动,在两端形成电荷堆积,从而形成感生电势,实现电子和离子之间的信号传输。当水凝胶两端与电压表相连时,能够测得其开路电压。作者通过实验结果表明(图2),产生的电压与水凝胶内离子的浓度无关,并且与施加到电磁线圈的电流呈线性关系。同时,作者还发现水凝胶两端的电压与相同几何尺寸的金属导体两端的电压相同。

图1. 磁-离子转换原理。一条水凝胶线的两端通过两个金属电极连接到电压表。水凝胶被封装在介电弹性体管中以保持对外界的绝缘。随时间变化的磁场B(t)会产生电场,引起水凝胶中离子的移动,进而导致相反符号的离子在水凝胶和电极之间的两个界面处激增。通过电压表可以记录水凝胶两端的开路电压。

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图2.水凝胶两端的电极在电磁线圈激励下产生电压。

【离子-电子变压器及其应用】

基于电子-离子信号传递原理,作者设计了一种离子-电子变压器(图3)。该变压器由金属线圈和同轴水凝胶线圈组成,当金属线圈汇总通过交变电流时,水凝胶线圈中会感应出交流离子电流,从而在两端产生相应的电压。实验结果表明,感应电压与水凝胶线圈的匝数呈线性关系,并且比施加的电流滞后大约pi/2的相位,这与法拉第定律方程一致。同时,感应电压与电离变压器的外加电流之比与外加电流的频率呈线性关系。除了正弦信号,该变压器还可以传输包含多种频率信息的复杂信号。此外,作者还展示了该离子-电子变压器在无线信号传输、非接触式运动监测方面的功能(图4)。

图3. 离子电子转换器装置图,以及水凝胶两端开路电压在激励电流作用下的变化。

图4. 非接触式电力传输和运动检测。

文章链接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/mh/d1mh00418b

来源:高分子科学前沿

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