王中林院士Nat.?Commun.: 首次定量測定摩擦靜電序列

【引言】

材料基因組計劃在全球范圍內引起了極大的關注。不同應用領域對不同材料有獨特和多樣化的要求。高質量的材料表征數據，包括材料不同特性的定量表征和交流互通的標準，對于實現不同材料（特別是新材料）在科學、工程和設計領域的快速應用和發展具有至關重要的作用。近來，摩擦起電效應被應用在能源收集與轉換，自驅動傳感，和柔性電子等領域，引起廣泛關注。這一效應是由兩種材料接觸引發的帶電，對任何材料都自然存在的效應，而不同的材料產生的電荷量都大不相同。現有表征材料特性的物理量眾多，包括熱學性能（熱容、熱導率、熔點等），力學性能（彈性模量、屈服強度、拉伸強度），電學性能（電阻率、電導率、介電常數等），光學性能（折射率、反射率等），然而目前卻缺少能定量表征摩擦起電的工具。唯一的工具只有摩擦靜電序列，卻只能定性描述材料產生電荷的極性，卻無法定量表征材料摩擦起電的能力。如何開發一種新的定量表征和測量方法實現對材料摩擦起電特性的定量測量和表征？

【成果簡介】

佐治亞理工學院和北京納米能源所王中林院士，其博士生鄒海洋，張穎博士，郭立童博士等定義了新的“材料基因”-摩擦電荷密度，研發了標準測量方法定量測量材料的摩擦起電特性，并詳細測量了眾多常用材料的這一特性。相關研究《Quantifying the triboelectric series》發表在《Nature Communication》上。

摩擦起電受材料表面，環境條件和測試條件影響巨大。材料表面粗糙度，氣溫，濕度，測量時材料間使用力的大小都影響測量結果。由于材料的力學特性不同，在不同測試材料之間使用相同壓力，產生相同應變是無法實現的，這造成了定量測量的極大難度。他們巧妙采用液態金屬汞與測試材料接觸與分離（如圖1），利用液態金屬的形狀適應性，使得接觸面積最大化；同時汞具有很強的表面張力，能夠及時與接觸材料分離，利用線性馬達穩定的控制接觸條件，從而有效的消除接觸力，表面粗糙度等測試條件的影響。他們采用在嚴格控制環境條件的手套箱內，消除外界環境不同的影響?，從而能準確測量。他們通過標準化測量表征了眾多常用材料，定義了材料的“摩擦電荷密度”來表征材料的摩擦起電特性（如圖2）。

【圖文導讀】

Figure 1. 摩擦電荷密度的測量原理

(a). 測量的簡化模型

(b-e). 開路狀態下電荷分布的理論模型

(f-i). 短路狀態下電荷轉移的理論模型?

Figure 2.測量裝置圖

(a). 測量裝置全景圖

(b). 測量裝置接觸分離部分局部圖

(c). 測量裝置樣品部分細節圖

Figure 3.?測量數據

(a). 開路電壓的測量數據

(b). 轉移電荷的測量數據

(c). 多個樣品在不同時間的測量數據

(d). 測量數據的長時間的重復性

Figure 4：定量測量的摩擦靜電序列

Table 1:?摩擦靜電序列詳細數據

【小結】

作者定義了新的“材料基因”-摩擦電荷密度，研發了標準測量方法定量測量材料的摩擦起電特性，并詳細測量了眾多常用材料的這一特性, 解決已經有2600多年的最常見最古老但也是最重要的摩擦起電效應難題。同時，安全生產對于國民經濟和生活至關重要，這項研究將為消除靜電引起的災害提供重要參考。該研究將有力促進對材料基礎特性的研究，為各材料的廣泛應用和相關基礎研究（材料特性數據采集，建模和分析）奠定基礎，為材料基因組計劃在能量收集，傳感和人機交互等領域的發展提供有力的支撐。

文獻鏈接：Quantifying the triboelectric series

(Nature Communicationsvolume?10, Article?number:?1427?(2019)?, DOI:?10.1038/s41467-019-09461-x)

本文由佐治亞理工學院和北京納米能源所王中林院士團隊供稿，材料人編輯部編輯。

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