中国矿业大学教师在ACS Nano发表关于相同材料接触起电机制的论文

日前，中国矿业大学材料学院教师许程博士以第一作者在国际期刊ACS Nano （影响因子：13.709）上发表了题为“Contact-Electrification Between Two Identical Materials: Curvature Effect”的论文。

 

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。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 nanogenerator，TENG），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，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，材料的凸表面或正曲率更容易得到负电荷, 而凹表面或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向。上述规律在低真空和高温下得到了进一步验证。基于以上结果，提出了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。