超级透明膜系列
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近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所魏迪研究员团队，打造了一种离子电子学储能器件，其输出功率密度达到 15900Wm-2，体能量密度为 9.46Whcm-3，高于常规的锂薄膜电池。 研究中，课题组通过实验和分子动力学模拟仿真，既优化了碱金属离子在二维纳米流体通道中的传输，也优化了电极界面限域的氧化还原反应。 并使用医疗器械级超声喷涂设备，将盐差能存储在亚微米级的聚合物薄膜侧壁边缘，实现了盐差能在便携式电子器件领域的应用。 此外，这款离子电子学储能器件在设计上采用垂直结构。这种结构的好处在于，可以使用高效率、低成本的方法，来克服缩短电极间距的难题，而这是平面型结构很难达到的目标。 基于这种垂直结构的离子电子学存储器件，该团队提出一种基于渗透效应的离子电子学储能方法，为开发超薄的可再生安全能源提供了范式。 通过利用聚合物薄膜的侧壁边缘，既可以通过喷涂厚度来降低膜的厚度，又能很好地使用聚合物薄膜的物理支撑。 离子电子学（Iontronics），是魏迪在 2020 年左右凝练和定义的一个学科方向。当时，很难查到这个英语名词。于是，他便将自己实验室的名字起名为——离子电子学实验室[2]。 与硅基电子器件不同的是，离子电子学器件依赖离子作为载流子传递信号，这让控制电荷通量成为可能，并能像神经一样调节离子电流的方向和大小，从而对信号进行放大，并能在高频下工作。 但是，离子电子学器件的离子输运行为，很难像生物膜中那样被精确地调控和耦合。生物膜中的离子通道，尺寸一般在纳米范围。 凭借纳米结构的量子限域作用，导致很多需要高温才能发生的化学反应、或者需要低温才能发生的物理现象，在室温下就可以实现。 双电层，是纳米尺度内离子电子耦合的关键界面。而如何构建有效的双电层体系，是领域内最为关键的科学问题。 从双电层概念首次被提出，至今已有将近 200 年的历史。但是，对于这一概念人们了解得并不透彻，多年来关于这一概念的模型，也在不断发生进化。此外，近年来人们也发现了新的科学问题。 针对离子电子学的研究，最早可以追溯到 18 世纪。当时，意大利医生和动物学家伽伐尼（Luigi Galvani）在青蛙肌肉上进行了一项电生理实验，让研究离子调控、耦合离子/电子电荷转移和信号交换之间关系，成为了一门新兴学科。 就近些年来说，1978 年曾有学者凭借氢离子泵的成果获得诺贝尔奖，2003 年曾有学者凭借钾离子通道的成果获得诺贝尔奖，2021 年则有学者凭借钙离子通道的成果获得诺贝尔奖。 在生物系统之中，纳米限域空间中的离子输运过程，能被调控得十分精准。这是因为随着离子所在空间尺寸的减小，离子之间的作用力也会发生改变。 在直径介于 2nm 和 100m 间的纳米限域系统中，静电力占据主导地位，离子传输主要由双电层调节。 在直径小于 2nm 的亚纳米限域中（即类似于生物膜离子通道孔径的范围），空间位阻效应、氢键和分子间范德华力等，将在离子行为的调节上发挥更重要的作用， 近年来，在这种直径小于 2nm 的亚纳米限域中，离子的一系列异常行为已经得到验证，例如双电层重叠、离子库仑阻塞、超离子态、离子-离子相关性、离子超密堆积和电中性击穿等。 同时，在亚纳米限域空间中，经典的力学方程和热力学方程，比如 Navier-Stokes 方程、Kelvin 方程和 Hertz-Knudsen 等方程都受到了挑战。 魏迪表示：“能源是文明的基础。当前化石能源正在面临枯竭危机，由此引发的能源危机，再加上锂离子电池回收难带来的环境污染问题，让人类不得不思考是否有更加环保、更具生物友好性的能源。” 渗透能的原理，是利用海水和河水盐差的蓝色能源，具有较高的环保优势。但是，如何让渗透膜兼具高效率和高厚度，一直是“鱼和熊掌不能兼得”的难题。 详细来说，渗透膜如果太厚的话，就会产生离子极化。要想达到理想的离子选择效率，理论上要薄至 1μm 左右。而这个级别的厚度，会让膜的物理强度成为一个大问题。 事实上在自然界的方方面面，都存在着基于盐差的渗透能。从生物细胞结构到腺嘌呤核苷三磷酸能量，都被渗透能所驱动着。 同时，渗透能通常存在于水系体系之中，不仅不具备便携性，同时在冰点下难以工作。为此，课题组开展了一系列的工作。
此前，该团队利用二维纳米流体通道对于阳离子的超级导通特性，让空气湿度驱动渗透能得以照进现实。 最关键的是在零下 40 度，渗透能依然可以工作。目前，通过打印的方式，就可以制备渗透能电池。这种超薄打印电池的厚度，能够保持在 10μm 以内，甚至可以放入人的眼睛。 同时，还可以把渗透能电池打印在纸张上，将能源、温度传感、近场通信（NFC，Near Field Communication）射频都集成在一张纸上，从而做出 100% 透气的纸基电子器件，进而实时地将温度信息传递出来。 也可以把不同的二维纳米流体材料的墨水罐装在不同的钢笔里，这样一来就能把任意绝缘的基质，变成可以供电的电池，从而解决储能电池自放电的难题。 从双电层 Stern 紧密层、扩散层、再到德拜半径，每一个基础概念之中都蕴含着巨大的科学问题。 同时，对于宏观离子电子学器件的性能来说，每一个纳微观结构都会带来巨大的影响。而该团队通过对纳米通道进行设计，并对双电层重叠进行调控。 魏迪等人则将带负电的氧化石墨烯二维纳米流体通道材料，成功打印在平面之上，从而提出基于渗透能电池的平面打印工艺。 当传统三明治结构的电池、变成可被打印的平面结构时，要想增加电池能量密度，就可以采取空间拓扑的数学方法，即在单位面积内放置更多的节点。 在皮安诺曲线的思路指导之下，他们在单位面积内产生了最大的能量密度。仅仅一小片纸就可以产生 200V 的高压，能用于给家用电子器件供电。 再后来，他们通过接触起电的方式，针对绝缘体-液体固液界面双电层中的离子电荷载流子，实现了动态调控，达成了高效率的能量收集和信息传输，并提出摩擦离子电子学的新名词。 详细来说，他们通过固-液接触起电诱导的带电去离子水雾，来调节绝缘体表面的纳米限域扩散层内的离子电荷密度，借此开发了直流摩擦离子电子学纳米发电机。 基于原位离子电荷补充策略，其可以产生高效的离子-电子耦合直流输出，在 0.10Hz 的低运行频率，实现了 126.40W/m2 的超高峰值功率密度。 此外，通过固-固接触起电方式构建的双向电场，可以动态调控亚纳米限域致密层内的离子电荷分布，从而以远程方式来调控扩散层的离子电荷极性。 这样一来，就能将接触起电过程中的物理接触信息存储为扩散层中的离子电荷极性信息，进而转换为对应的电子学信息，最终可用于构建仿生神经回路和无源人机交互接口。 也就是说，让摩擦离子电子学对电荷的极性、数量和类型进行微调，为高效能量收集和仿生神经形态计算的应用提供了通用范式。 研究中，课题组从界面的双电层性质出发，仿照神经传输系统构建了离子-电子调控信息流的桥梁，为新模式下的界面性质控制、生物传感器、脑机接口控制等提供了研究思路。 对于这种摩擦离子电子学器件来说，它在高效的能量收集、界面双电层的精确控制、仿生神经系统的快速调控等方面可能会引发广泛的研究兴趣。
物联网由广泛分布的大量电子学传感器组成。而随着摩尔定律的即将终结，传统的电子学冯·诺依曼计算架构正在面临着一些挑战，特别是大数据时代这种挑战变得更加严峻。 当前，人类对于数据和信息的需求，呈现出日益快速增长的趋势，因此迫切需要一种更加高效的仿神经形态计算范式。 对于人类大脑的激活来说，它可以被定义为“由信息驱动的神经胶质单元中的能量流的重新组合”，这种组合会导致能量利用效率的增加。 近年来，以人类大脑为启发，围绕离子电子学这一新兴概念，关于神经形态设备的课题引起了学界的极大兴趣。 对于离子电子学来说，它可以在交互界面上耦合离子/电子电荷的转移，与此同时它能以信号交换的方式，产生更高的能量传递效率。 事实上，人脑就是一种典型的高度集成型离子电子学中心处理单元，人脑的平均功耗仅为 12W。而构建一个同等算力的类脑集成电子学系统，其功耗至少要达到几十兆瓦。 在离子电子学中，双电层采用这样一种工作原理：通过离子电荷的动态传输和重新排布，来控制电子的运动，从而提供一种新的替代范式，故能在后摩尔时代提供所需要的高效能量和信息流。 因此，未来该团队依然会聚焦于双电层调控的离子电子学。在此前发表的一系列论文中，他们曾阐释了在纳米限域空间之内，双电层中的德拜半径对于离子输运的影响。 对于来说，中枢神经系统的信号传递只需要消耗极低的能量。同时，神经信号动作电位的传导，本质上是由双电层中离子传递实现的。 针对固液界面的双电层结构，学界已经研究了一个多世纪。但是，到底该如何对其进行微调？这依然是一道待解的难题。 因此，未来他们准备通过纳米通道的设计、以及采用接触起电等方式，来对双电层进行动态调控，从而构建新型离子电子学器件。
作为一名科学家魏迪表示：“研究的乐趣在于不确定性，这正如人生一样。不确定性会给人带来未知的惶恐，但同时不确定性也意味着无限可能。” 二十世纪末当他从中科大本科毕业时，他原本要遵循科大毕业生传统路径：拼 GPA 和 GRE 拿全奖去美国读硕博。 “可是由于当时美国炸南斯拉夫使馆，中美关系冰封，美国拒签了师兄师姐们，我毕业那年考完 GRE 也没去美国。面临所有努力带来的不确定，我靠拼 GPA 争取到系里当年仅有的两个交换到北欧芬兰的名额。”他说。 魏迪继续表示：“在芬兰，我用一年完成了硕士学位，两年半完成了博士学位，并以年度最高分毕业。由于创造了该校的历史记录，芬兰媒体和瑞典媒体对我和本科母校中科大进行了报道。”
他继续说道：“2007 年博士毕业后，我同时拿到英国牛津大学和剑桥大学博士后的录用通知，后来决定加盟剑桥大学电子工程系，我博士后的合作导师是英国皇家工程院院士 Gehan Amaratunga 教授，他本人也是一名成功的企业家。” 2008 年，诺基亚公司来到英国建立该公司在欧洲最大的纳米技术研发中心。这时，魏迪的职业生涯来到了新的十字路。 近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所魏迪研究员团队，打造了一种离子电子学储能器件，其输出功率密度达到 15900Wm-2，体能量密度为 9.46Whcm-3，高于常规的锂薄膜电池。 研究中，课题组通过实验和分子动力学模拟仿真，既优化了碱金属离子在二维纳米流体通道中的传输，也优化了电极界面限域的氧化还原反应。 并使用医疗器械级超声喷涂设备，将盐差能存储在亚微米级的聚合物薄膜侧壁边缘，实现了盐差能在便携式电子器件领域的应用。 此外，这款离子电子学储能器件在设计上采用垂直结构。这种结构的好处在于，可以使用高效率、低成本的方法，来克服缩短电极间距的难题，而这是平面型结构很难达到的目标。 基于这种垂直结构的离子电子学存储器件，该团队提出一种基于渗透效应的离子电子学储能方法，为开发超薄的可再生安全能源提供了范式。 通过利用聚合物薄膜的侧壁边缘，既可以通过喷涂厚度来降低膜的厚度，又能很好地使用聚合物薄膜的物理支撑。 离子电子学（Iontronics），是魏迪在 2020 年左右凝练和定义的一个学科方向。当时，很难查到这个英语名词。于是，他便将自己实验室的名字起名为——离子电子学实验室[2]。 与硅基电子器件不同的是，离子电子学器件依赖离子作为载流子传递信号，这让控制电荷通量成为可能，并能像神经一样调节离子电流的方向和大小，从而对信号进行放大，并能在高频下工作。 但是，离子电子学器件的离子输运行为，很难像生物膜中那样被精确地调控和耦合。生物膜中的离子通道，尺寸一般在纳米范围。 凭借纳米结构的量子限域作用，导致很多需要高温才能发生的化学反应、或者需要低温才能发生的物理现象，在室温下就可以实现。 双电层，是纳米尺度内离子电子耦合的关键界面。而如何构建有效的双电层体系，是领域内最为关键的科学问题。 从双电层概念首次被提出，至今已有将近 200 年的历史。但是，对于这一概念人们了解得并不透彻，多年来关于这一概念的模型，也在不断发生进化。此外，近年来人们也发现了新的科学问题。 针对离子电子学的研究，最早可以追溯到 18 世纪。当时，意大利医生和动物学家伽伐尼（Luigi Galvani）在青蛙肌肉上进行了一项电生理实验，让研究离子调控、耦合离子/电子电荷转移和信号交换之间关系，成为了一门新兴学科。 就近些年来说，1978 年曾有学者凭借氢离子泵的成果获得诺贝尔奖，2003 年曾有学者凭借钾离子通道的成果获得诺贝尔奖，2021 年则有学者凭借钙离子通道的成果获得诺贝尔奖。 在生物系统之中，纳米限域空间中的离子输运过程，能被调控得十分精准。这是因为随着离子所在空间尺寸的减小，离子之间的作用力也会发生改变。 在直径介于 2nm 和 100m 间的纳米限域系统中，静电力占据主导地位，离子传输主要由双电层调节。 在直径小于 2nm 的亚纳米限域中（即类似于生物膜离子通道孔径的范围），空间位阻效应、氢键和分子间范德华力等，将在离子行为的调节上发挥更重要的作用， 近年来，在这种直径小于 2nm 的亚纳米限域中，离子的一系列异常行为已经得到验证，例如双电层重叠、离子库仑阻塞、超离子态、离子-离子相关性、离子超密堆积和电中性击穿等。 同时，在亚纳米限域空间中，经典的力学方程和热力学方程，比如 Navier-Stokes 方程、Kelvin 方程和 Hertz-Knudsen 等方程都受到了挑战。 魏迪表示：“能源是文明的基础。当前化石能源正在面临枯竭危机，由此引发的能源危机，再加上锂离子电池回收难带来的环境污染问题，让人类不得不思考是否有更加环保、更具生物友好性的能源。” 渗透能的原理，是利用海水和河水盐差的蓝色能源，具有较高的环保优势。但是，如何让渗透膜兼具高效率和高厚度，一直是“鱼和熊掌不能兼得”的难题。 详细来说，渗透膜如果太厚的话，就会产生离子极化。要想达到理想的离子选择效率，理论上要薄至 1μm 左右。而这个级别的厚度，会让膜的物理强度成为一个大问题。 事实上在自然界的方方面面，都存在着基于盐差的渗透能。从生物细胞结构到腺嘌呤核苷三磷酸能量，都被渗透能所驱动着。 同时，渗透能通常存在于水系体系之中，不仅不具备便携性，同时在冰点下难以工作。为此，课题组开展了一系列的工作。
此前，该团队利用二维纳米流体通道对于阳离子的超级导通特性，让空气湿度驱动渗透能得以照进现实。 最关键的是在零下 40 度，渗透能依然可以工作。目前，通过打印的方式，就可以制备渗透能电池。这种超薄打印电池的厚度，能够保持在 10μm 以内，甚至可以放入人的眼睛。 同时，还可以把渗透能电池打印在纸张上，将能源、温度传感、近场通信（NFC，Near Field Communication）射频都集成在一张纸上，从而做出 100% 透气的纸基电子器件，进而实时地将温度信息传递出来。 也可以把不同的二维纳米流体材料的墨水罐装在不同的钢笔里，这样一来就能把任意绝缘的基质，变成可以供电的电池，从而解决储能电池自放电的难题。 从双电层 Stern 紧密层、扩散层、再到德拜半径，每一个基础概念之中都蕴含着巨大的科学问题。 同时，对于宏观离子电子学器件的性能来说，每一个纳微观结构都会带来巨大的影响。而该团队通过对纳米通道进行设计，并对双电层重叠进行调控。 魏迪等人则将带负电的氧化石墨烯二维纳米流体通道材料，成功打印在平面之上，从而提出基于渗透能电池的平面打印工艺。 当传统三明治结构的电池、变成可被打印的平面结构时，要想增加电池能量密度，就可以采取空间拓扑的数学方法，即在单位面积内放置更多的节点。 在皮安诺曲线的思路指导之下，他们在单位面积内产生了最大的能量密度。仅仅一小片纸就可以产生 200V 的高压，能用于给家用电子器件供电。 再后来，他们通过接触起电的方式，针对绝缘体-液体固液界面双电层中的离子电荷载流子，实现了动态调控，达成了高效率的能量收集和信息传输，并提出摩擦离子电子学的新名词。 详细来说，他们通过固-液接触起电诱导的带电去离子水雾，来调节绝缘体表面的纳米限域扩散层内的离子电荷密度，借此开发了直流摩擦离子电子学纳米发电机。 基于原位离子电荷补充策略，其可以产生高效的离子-电子耦合直流输出，在 0.10Hz 的低运行频率，实现了 126.40W/m2 的超高峰值功率密度。 此外，通过固-固接触起电方式构建的双向电场，可以动态调控亚纳米限域致密层内的离子电荷分布，从而以远程方式来调控扩散层的离子电荷极性。 这样一来，就能将接触起电过程中的物理接触信息存储为扩散层中的离子电荷极性信息，进而转换为对应的电子学信息，最终可用于构建仿生神经回路和无源人机交互接口。 也就是说，让摩擦离子电子学对电荷的极性、数量和类型进行微调，为高效能量收集和仿生神经形态计算的应用提供了通用范式。 研究中，课题组从界面的双电层性质出发，仿照神经传输系统构建了离子-电子调控信息流的桥梁，为新模式下的界面性质控制、生物传感器、脑机接口控制等提供了研究思路。 对于这种摩擦离子电子学器件来说，它在高效的能量收集、界面双电层的精确控制、仿生神经系统的快速调控等方面可能会引发广泛的研究兴趣。
物联网由广泛分布的大量电子学传感器组成。而随着摩尔定律的即将终结，传统的电子学冯·诺依曼计算架构正在面临着一些挑战，特别是大数据时代这种挑战变得更加严峻。 当前，人类对于数据和信息的需求，呈现出日益快速增长的趋势，因此迫切需要一种更加高效的仿神经形态计算范式。 对于人类大脑的激活来说，它可以被定义为“由信息驱动的神经胶质单元中的能量流的重新组合”，这种组合会导致能量利用效率的增加。 近年来，以人类大脑为启发，围绕离子电子学这一新兴概念，关于神经形态设备的课题引起了学界的极大兴趣。 对于离子电子学来说，它可以在交互界面上耦合离子/电子电荷的转移，与此同时它能以信号交换的方式，产生更高的能量传递效率。 事实上，人脑就是一种典型的高度集成型离子电子学中心处理单元，人脑的平均功耗仅为 12W。而构建一个同等算力的类脑集成电子学系统，其功耗至少要达到几十兆瓦。 在离子电子学中，双电层采用这样一种工作原理：通过离子电荷的动态传输和重新排布，来控制电子的运动，从而提供一种新的替代范式，故能在后摩尔时代提供所需要的高效能量和信息流。 因此，未来该团队依然会聚焦于双电层调控的离子电子学。在此前发表的一系列论文中，他们曾阐释了在纳米限域空间之内，双电层中的德拜半径对于离子输运的影响。 对于来说，中枢神经系统的信号传递只需要消耗极低的能量。同时，神经信号动作电位的传导，本质上是由双电层中离子传递实现的。 针对固液界面的双电层结构，学界已经研究了一个多世纪。但是，到底该如何对其进行微调？这依然是一道待解的难题。 因此，未来他们准备通过纳米通道的设计、以及采用接触起电等方式，来对双电层进行动态调控，从而构建新型离子电子学器件。
作为一名科学家魏迪表示：“研究的乐趣在于不确定性，这正如人生一样。不确定性会给人带来未知的惶恐，但同时不确定性也意味着无限可能。” 二十世纪末当他从中科大本科毕业时，他原本要遵循科大毕业生传统路径：拼 GPA 和 GRE 拿全奖去美国读硕博。 “可是由于当时美国炸南斯拉夫使馆，中美关系冰封，美国拒签了师兄师姐们，我毕业那年考完 GRE 也没去美国。面临所有努力带来的不确定，我靠拼 GPA 争取到系里当年仅有的两个交换到北欧芬兰的名额。”他说。 魏迪继续表示：“在芬兰，我用一年完成了硕士学位，两年半完成了博士学位，并以年度最高分毕业。由于创造了该校的历史记录，芬兰媒体和瑞典媒体对我和本科母校中科大进行了报道。”
他继续说道：“2007 年博士毕业后，我同时拿到英国牛津大学和剑桥大学博士后的录用通知，后来决定加盟剑桥大学电子工程系，我博士后的合作导师是英国皇家工程院院士 Gehan Amaratunga 教授，他本人也是一名成功的企业家。” 2008 年，诺基亚公司来到英国建立该公司在欧洲最大的纳米技术研发中心。这时，魏迪的职业生涯来到了新的十字路。 |
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