哈佛大学锁志刚教授课题组与西安交大贾坤副教授课题组合作：离磁感应助力电子与离子间信号传递

最近，哈佛大学锁志刚教授课题组与西安交通大学贾坤副教授课题组合作，对这一重要科学问题进行了深入系统的研究，提出了一种新的信号传递方式——离磁感应。他们以水凝胶作为离子导体，通过电磁铁在其周围产生交变磁场。该交变磁场在水凝胶中产生电场，驱使自由离子定向运动以产生离子电流，从而在水凝胶两端形成感应电动势，实现了电子与离子间的信号传递。当水凝胶与电压表相连时，能够测得对应的开路电压。通过实验测量与理论计算，得到了产生的电压不随水凝胶离子浓度变化的重要结论。同时，基于离磁感应效应，设计了具有无线信号传输与运动监测功能的柔性离电子变压器，为电子与离子间的信号传递提供了理论指导和发展思路。

如图1 所示，当与电压表相连的水凝胶处于交变磁场中时，水凝胶中的正负离子在感生电场的作用下移动。由于水凝胶与金属电极不发生电化学反应，正负离子分别积聚在水凝胶/电极界面处，吸引或排斥电极上的自由电子，从而在水凝胶两端测得开路电压。

图1 离磁感应基本原理

为了深入研究离磁感应效应，他们将水凝胶摆放在金属线圈附近，通过对金属线圈施加交变电流以产生交变磁场，系统测量了水凝胶两端的开路电压（图2）。首先， 在不同电流下，对具有不同离子浓度水凝胶两端的开路电压进行了测量，得到了产生的电压与施加电流成正比且不随离子浓度变化的重要结论。同时，发现水凝胶两端的电压与具有相同几何构型的金属导体两端的电压相同，即离磁感应产生的电压与导体种类无关。这一结论与法拉第电磁感应定律相一致。其次，由于离磁感应效应与磁场大小直接相关，水凝胶的摆放位置以及水凝胶与金属线圈之间的距离都将影响水凝胶两端电压的大小。此外，通过电路模型分析和有限元计算，对离磁感应效应进行了理论预测，得到了与实验测量一致的结果。

图2 水凝胶两端的离磁感生电压

基于离磁感应效应，他们设计了柔性离电子变压器（图3）。离电子变压器由金属线圈与同轴水凝胶线圈组成，当金属线圈中通过交变电流时，水凝胶线圈中会感生出离子电流，从而在其两端产生相应的电压。结果表明，产生的电压与水凝胶线圈的匝数以及金属线圈中交变电流的频率成正比。同时，除了正弦信号，该变压器还可以有效地传输包含多种频率信息的复杂信号。此外，柔性离电子变压器具有无线信号传输、运动监测等功能（图4）。

图3 离电子变压器

图4 无线信号传输与运动监测

锁志刚教授团队与贾坤副教授团队合作，以水凝胶为离子导体，磁场为媒介，提出了一直新的电子信号与离子信号间传递的方式——离磁感应。通过理论计算与实验测量，揭示了离磁感应效应的物理原理，设计了柔性离电子变压器，实现了无线信号传输与运动监测，为离磁感应在复杂工程结构与生物组织中的应用奠定了基础。

这项研究工作发表于Materials Horizons。论文第一作者为王叶成博士（哈佛大学博士、博士后），第二作者为解社娟副教授（西安交通大学），第三作者为白阳（西安交通大学硕士生）。美国科学院院士、美国工程院院士、哈佛大学锁志刚教授和西安交通大学贾坤副教授为论文通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1039/D1MH00418B

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