王中林院士Nat. Commun.: 首次定量测定摩擦静电序列

【引言】

材料基因组计划在全球范围内引起了极大的关注。不同应用领域对不同材料有独特和多样化的要求。高质量的材料表征数据，包括材料不同特性的定量表征和交流互通的标准，对于实现不同材料（特别是新材料）在科学、工程和设计领域的快速应用和发展具有至关重要的作用。近来，摩擦起电效应被应用在能源收集与转换，自驱动传感，和柔性电子等领域，引起广泛关注。这一效应是由两种材料接触引发的带电，对任何材料都自然存在的效应，而不同的材料产生的电荷量都大不相同。现有表征材料特性的物理量众多，包括热学性能（热容、热导率、熔点等），力学性能（弹性模量、屈服强度、拉伸强度），电学性能（电阻率、电导率、介电常数等），光学性能（折射率、反射率等），然而目前却缺少能定量表征摩擦起电的工具。唯一的工具只有摩擦静电序列，却只能定性描述材料产生电荷的极性，却无法定量表征材料摩擦起电的能力。如何开发一种新的定量表征和测量方法实现对材料摩擦起电特性的定量测量和表征？

【成果简介】

佐治亚理工学院和北京纳米能源所王中林院士，其博士生邹海洋，张颖博士，郭立童博士等定义了新的“材料基因”-摩擦电荷密度，研发了标准测量方法定量测量材料的摩擦起电特性，并详细测量了众多常用材料的这一特性。相关研究《Quantifying the triboelectric series》发表在《Nature Communication》上。

摩擦起电受材料表面，环境条件和测试条件影响巨大。材料表面粗糙度，气温，湿度，测量时材料间使用力的大小都影响测量结果。由于材料的力学特性不同，在不同测试材料之间使用相同压力，产生相同应变是无法实现的，这造成了定量测量的极大难度。他们巧妙采用液态金属汞与测试材料接触与分离（如图1），利用液态金属的形状适应性，使得接触面积最大化；同时汞具有很强的表面张力，能够及时与接触材料分离，利用线性马达稳定的控制接触条件，从而有效的消除接触力，表面粗糙度等测试条件的影响。他们采用在严格控制环境条件的手套箱内，消除外界环境不同的影响 ，从而能准确测量。他们通过标准化测量表征了众多常用材料，定义了材料的“摩擦电荷密度”来表征材料的摩擦起电特性（如图2）。

【图文导读】

Figure 1. 摩擦电荷密度的测量原理

(a). 测量的简化模型

(b-e). 开路状态下电荷分布的理论模型

(f-i). 短路状态下电荷转移的理论模型 

Figure 2.测量装置图

(a). 测量装置全景图

(b). 测量装置接触分离部分局部图

(c). 测量装置样品部分细节图

Figure 3. 测量数据

(a). 开路电压的测量数据

(b). 转移电荷的测量数据

(c). 多个样品在不同时间的测量数据

(d). 测量数据的长时间的重复性

Figure 4：定量测量的摩擦静电序列

Table 1: 摩擦静电序列详细数据

【小结】

作者定义了新的“材料基因”-摩擦电荷密度，研发了标准测量方法定量测量材料的摩擦起电特性，并详细测量了众多常用材料的这一特性, 解决已经有2600多年的最常见最古老但也是最重要的摩擦起电效应难题。同时，安全生产对于国民经济和生活至关重要，这项研究将为消除静电引起的灾害提供重要参考。该研究将有力促进对材料基础特性的研究，为各材料的广泛应用和相关基础研究（材料特性数据采集，建模和分析）奠定基础，为材料基因组计划在能量收集，传感和人机交互等领域的发展提供有力的支撑。

文献链接：Quantifying the triboelectric series

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

本文由佐治亚理工学院和北京纳米能源所王中林院士团队供稿，材料人编辑部编辑。

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