摩擦离子电子学驱动的麦克斯韦妖效应：实现能量-信息高效协同转换的新范式

针对传统能量-信息转换效率低下的难题，剑桥大学Di Wei团队通过摩擦电诱导极化构建了"摩擦离子电子学麦克斯韦妖"系统。开发的EP-TING和ES-TING器件分别实现2,347.12 mC/m2 和5,237.51 mC/m2 的电荷密度，突破EDL技术极限；仿生神经电路实现抗干扰水下通信，为后摩尔时代能源-信息融合系统提供新方案。

　　

在19世纪，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出的"麦克斯韦妖"思想实验曾引发热力学第二定律的深刻讨论。这个假想的"小妖"能通过选择性分离分子来降低系统熵，看似违背熵增原理。现代科学揭示，这种熵减过程实则需要消耗信息处理能量，与生物系统中钠钾泵(Na⁺
/K⁺
-ATPase)消耗ATP维持离子梯度的机制异曲同工。如何模拟这种生物能量-信息协同转换机制，成为突破传统技术瓶颈的关键。

剑桥大学研究人员在《Joule》发表的研究中，创新性地将摩擦电效应与离子电子学结合，开发出"摩擦离子电子学麦克斯韦妖"系统。通过磁控溅射制备100 nm金属-介质复合层，利用摩擦电诱导极化远程调控电双层(EDL)电荷迁移。结合开尔文探针力显微镜(KPFM)和分子动力学(MD)模拟，团队实现了对纳米限域空间离子行为的精确操控。

【Triboiontronic Maxwell’s demon created by triboelectric-induced polarization】
研究构建的混合材料体系通过介质层电负性调节固液接触起电(CE)，超薄金属层增强EDL电荷调控能力。这种设计使EP-TING器件电荷密度达2,347.12 mC/m²
，较传统摩擦纳米发电机(TENG)提升三个数量级。

【Enhanced energy flow via EP-TING and ES-TING】
引入氧化还原反应的ES-TING将电荷密度进一步提升至5,237.51 mC/m²
。这种协同增强策略突破了EDL基能量收集技术的理论极限，转换效率媲美生物离子泵。

【Bionic information flow for underwater transmission】
基于EP-TING/ES-TING的仿生神经电路实现了品质因数优化的水下无线传输，有效克服声学多径干扰和电磁衰减，功耗仅相当于12 W人脑运行功率的千分之一。

【Triboelectric-induced polarization for work function tuning】
摩擦电诱导极化可调控顶层金属功函数，该技术可拓展至钙钛矿太阳能电池等领域，为能级对齐提供新方法。

这项研究首次在宏观尺度实现能量-信息流的协同调控，其创新性体现在三方面：1）创立摩擦离子电子学新范式，通过EDL纳米限域效应模拟生物离子通道；2）突破性提升电荷密度至5,237.51 mC/m²
，为自供电系统提供新标准；3）构建的仿生系统兼具神经形态计算与传感功能，为脑机接口和逻辑控制开辟新途径。该成果不仅验证了麦克斯韦妖在现代物理学中的现实意义，更为后摩尔时代的能源-信息融合系统提供了可扩展的技术平台。国家自然科学基金资助项目(22479016)支持了这项跨学科突破性研究。