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【ACS Nano】相同材料之间的接触也会起静电!为什么?
发表日期: 2019-02-02 文章来源:
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  我们现实生活中熟知的两种不同材料接触分离后,各自会带上等量相反电荷,即发生了接触起电。例如例如玻璃棒摩擦毛皮,PTFE和金属等。这些不同材料之间的接触起电,是由于功函或接触势的不同而导致,并且可以用表面态模型或电子云势阱模型来解释(Adv. Mater. 2018, 30, 1706790 http://www.gzu521.com/hot/20190217/g18.html); Adv. Mater. 2018, 30, 1803968 (http://www.gzu521.com/hot/20190217/5vzm.html)。然而极不寻常的是,接触起电还可以发生在化学成分完全相同的材料之间,而它们被认为具有相同的接触电势。这种相同材料间的接触起电,目前仍没有一个物理机制上的合理解释。 

  接触起电实际是一个非常复杂的过程,因为接触物之间可能存在多种不同的相对运动。我们把这些运动简化为两种:相对滑动和垂直的接触-分离。毫无疑问,滑动更容易导致材料尤其是表面的损伤,产生物质或离子转移,影响真实的电荷转移方向。但是,如果采用施加较小作用力的接触-分离模式,则可以在一定程度上避免损伤。近年来发明的摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogeneratorTENG),除了可用于环境中多种形式能源的获取外,还可用于精确、实时的表面电荷密度研究。特别是,TENG有着多种工作模式包括接触-分离,并且可以精确控制作用力大小,这就为研究相同材料间起电机制提供了一种新的思路。 

  近日,佐治亚理工学院教授、中科院北京纳米能源与系统威尼斯人网站王中林院士指导下,许程教授、张彬彬博士、王琦博士生(共同一作)等研究人员制备了具有不同形状或曲率表面的同种材料TENG 通过研究这些TENG在接触-分离工作模式下的电荷转移情况, 揭示了同种材料间接触起电的物理规律。研究发现,材料的凸表面正曲率更容易得到负电荷, 而凹表面负曲率则更容易获得正电荷。此外,对于两种曲面接触, 增大施加的作用力容易导致电荷转移方向的反上述规律在低真空和下得到了进一步验证。基于以上结果,提出一种曲率效应导致材料的表面态改变的同种材料间接触起电的电荷转移模型。该模型不但可以解释大块曲率不同的材料表面起电现象,而且也可以解释微观局部曲率不同而产生的正负电荷偏析分布的Mosaic图形。 该研究在理解接触起电本质的道路上迈出了新的一步,同时也为后续发展不同材料和同种材料间的起电机制的统一理论提供了可能。相关成果以Contact-Electrification Between Two Identical Materials: Curvature Effect为题发表在ACS Nanohttp://www.gzu521.com/hot/20190217/h2niku.html)。 

图1 相同材料间的接触起电机制。a)具有理想平面的同种材料A和B的表面态模型;b-d)不同表面曲率的同种材料A和B在接触前、接触时和分开后的电荷转移表面态模型。LUMO,未占有电子的能级最低的轨道;En, 表面态的中间能级;HOMO,占有电子的能级最高的轨道。

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