曾经令人生厌的静电,如今要点亮你我的生活?(上)

摘要

许多朋友都有过这样的经历:在干燥的冬日,当你试图脱去一件化纤面料的外套或者一件羊毛衫时,会听见“啪啪啪”的声音,如果是在晚上甚至可能看见火花。穿着这样的衣服触摸门把手等金属物体时,还可能会被电到。导致这些现象的就是我们熟悉的摩擦起电。

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许多朋友都有过这样的经历:在干燥的冬日,当你试图脱去一件化纤面料的外套或者一件羊毛衫时,会听见“啪啪啪”的声音,如果是在晚上甚至可能看见火花。穿着这样的衣服触摸门把手等金属物体时,还可能会被电到。导致这些现象的就是我们熟悉的摩擦起电。

化纤或者羊毛衣服在与人体接触和摩擦的过程中容易产生电荷,由于这些衣物都是绝缘体,摩擦产生的静电本来就容易停留在衣服和人体上,当我们接触导体,例如金属制成的门把手时,就可能发生放电。冬天由于湿度下降,空气变得不容易导电,这就导致静电更加容易聚集,于是摩擦起电就变得更加明显。

摩擦产生的静电不仅令人厌恶,很多时候还会严重干扰我们的生活。例如在加油站加油时,司机身上的静电如果不能及时释放掉,就有可能引发汽油的火灾,酿成大祸。接触电子产品时,操作者身上的静电还可能破坏敏感的电子元件,影响设备的正常使用。因此,在通常的情况下,我们总是设法消除静电。

然而在最近,令人生厌的静电居然“改头换面”,要和核能、太阳能、风能等新能源一道,为我们的生活提供电能了。这究竟是怎么回事呢?

用摩擦发电:理想很美好,现实很残酷

摩擦为什么会起电?这个问题看上去简单,但科学家们至今还没能给出一个完满的答案。目前被普遍接受的解释是当两种不同的材料发生接触时,两种材料的表面之间会形成一些化学键,使得电荷从其中一种材料转移到另一种材料。当这两种材料重新分开时,等量的正负电荷就有可能分别保留在两种材料的表面。绝缘体导电能力差,电荷一旦在其表面出现可以聚积相当长的时间,这就是为什么摩擦起电比较容易在绝缘体之间观察到。

那么在摩擦起电过程中,电荷是凭空产生的吗?当然不是。要想让互相接触的两个物体产生比较明显的静电,我们总是要用力摩擦它们。也就是说,在这个过程中,我们总是要付出一部分机械能,而正是这部分能量转化为电能,让原本不带电的两个物体的表面分别聚积正负电荷。也就是说,通过摩擦,我们确实可以把其他形式的能量转化为电能。

然而理论上说得通是一回事,实际应用中是否可行又是另一回事。设想有两块上下隔开一定距离的塑料薄板,上面这块薄板的上表面和下面这块薄板的下表面分别镀上一层金属电极,两个金属电极通过导线相连。如果我们用力压上面的薄板使之向下弯曲,直至与下面的薄板发生接触,在这个过程中,两块薄板的塑料部分由于相互摩擦,表面分别带上了等量的正负电荷。塑料通常都是良好的绝缘体,所以摩擦产生的电荷可以在它们的表面停留很久。

现在我们将外力撤掉,如果构成上面这块薄板的材料具有一定的弹性,那么它会恢复原来的形状,与下面这块薄板脱离接触。在这个过程中,正负电荷之间被隔开了一定的距离,于是两块薄板之间就出现了一个电场。

这个时候,两块薄板被导线连接起来的金属电极也感受到了电场的存在,这让它们感到很是不舒服,决定也形成一个电场,将刚才出现的那个电场抵消掉。于是,通过导线,金属中的电荷会重新调整分布,如果上面那块薄板的底面带负电荷,那么其顶部金属电极的表面则会带上正电荷,而另一块薄板的金属电极表面则会带上正电荷。这就是大家并不陌生的导体的静电感应现象。

在两块薄板分离的过程中,电场的强度一直在变化,因此电荷不得不在两个电极之间流动,使得两个电场一直可以互相抵消。当两块薄板完全恢复到最初的距离时,塑料之间的电场不再发生变化,因此导线中也就不再有电流。

如果我们再次施加外力让彼此隔开的两块薄板发生接触,由于两块塑料之间的电场强度发生变化,于是电流重新在金属电极之间产生。当两块薄板完全接触时,金属电极之间的电流再次宣告中断。如果重复接触-分离-再接触-再分离的过程,那么电流就会不断地在两块金属电极之间产生。也就是说,利用摩擦起电原理,我们实际上构建了一个发电机。

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利用摩擦起电发电的基本原理:在两块塑料(蓝色为聚甲基丙烯酸甲酯即有机玻璃,黄色为Kapton即杜邦公司生产的聚酰亚胺薄膜)发生接触和分离的过程中,电流不断在两块金属电极(红色)之间流动。图片引自参考文献[1]

这个装置看起来很不错,怎么现实生活中似乎没有人使用它呢?这是因为摩擦起电虽然经常可以在两个物体的表面之间产生很高的电压,但产生的电流却比较微弱,转化的电能实际上相当有限。因此,虽然早就有研究人员尝试开发利用摩擦起电原理的发电机,例如著名的范德格拉夫起电机,但这些装置在实际应用却鲜有人问津。摩擦起电,看来注定只能停留在冬天穿脱化纤衣服时令人厌恶的啪啪声了。

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范德格拉夫起电机 (图片来源https://en.wikipedia.org/wiki/Van_de_Graaff_generator)

然而,近些年来,随着纳米技术的发展,一些研究人员又看到了蕴藏在摩擦起电这一现象后面的巨大潜力。

纳米技术让摩擦起电生来“第二春”

刚才我们提到,通过让覆盖了金属电极的两块塑料薄板反复经历接触-分离的过程,我们可以构建一个利用摩擦起电原理的发电机。当然,与其他的发电机相比,摩擦起电发电机的效率要低得多。那么有没有办法提高它的效率呢?

我们知道,摩擦起电现象发生在互相接触的两个物体的表面之间。设想有两块厚度均为1厘米的塑料板,互相接触时能够产生静电。如果我们保持它们的表面积不变,但是把厚度减小到几十微米,那么当它们彼此接触时,摩擦起电的过程并没有受到明显的影响。然而随着厚度的大幅减小,搭建这个装置所需要的材料也比原来少了很多。也许整个发电机能够提供的电能并没有显著提高,但考虑到整个装置的重量只有原先的差不多百分之一甚至更少,我们可以用同样的原材料建造更多的发电机。也就是说,以单位重量的材料来计算,总的效率实际上是大幅提高了

变得更轻便的摩擦起电装置还会带来另外一些好处。首先,一块厚板需要相当大的外力才能让它弯曲,而一张薄膜只需要一丁点力气,例如指尖轻轻一按,它的形状就可以发生很大的变化。这就意味着利用摩擦起电,我们可以将许多平时被忽视的能量转化为电能,在后面我们还会看到这一优势是如何转化为具体的应用的。其次,许多材料学上的难题也迎刃而解了。例如许多塑料即便做成几毫米厚的薄板时弹性仍然不够好,如果用力让它弯曲,塑料板要么会破碎,要么发生永久的形状变化,总之在外力撤除后很难恢复原状。这样一来,持续地利用摩擦起电来发电自然无从谈起。然而如果把塑料做成薄膜,它的弹性会大大提高,可以反复经历接触-分离的过程。

那么如此小巧轻便的装置加工起来是否容易呢?在相当长时间内,这确实相当有挑战性,然而随着纳米技术的发展,曾经艰巨的任务变得愈发容易。例如我们不仅可以很方便地在塑料的薄膜上覆盖更薄的一层金属,还可以在塑料的表面加工出许多微观结构,增加表面之间的接触面积,从而提高摩擦起电的效率[1,2]。

毫不夸张地说,正是纳米技术的进步让摩擦起电这一古老的现象再次焕发活力,而由此诞生的发电装置也有了一个响亮的名字——摩擦起电纳米发电机(triboelectric nanogenerator,简称TENG)。事实上,摩擦起电纳米发电机诞生不过短短几年时间,在纳米技术的帮助下,它的电能转化的功率和效率都有了显著的提高[1,2]。

摩擦起电纳米发电机能有如此迅速的发展,很大程度上归功于这一领域的开拓者和领军人,著名的华人纳米技术专家王中林教授。据王教授回忆,几年前他的团队就在实验中观察到了这一现象。起初他们以为这不过是实验中的“噪音”,然而随后的分析发现这些电荷确实是来自于表面之间的摩擦,于是开始尝试建造利用摩擦起电来提供电能的装置,并取得了不小的成绩[1]。

那么摩擦起电纳米发电机都能为我们做些什么呢?

 

参考文献:

[1] Zhong Lin Wang, “Triboelectric Nanogenerators as New Energy Technology for Self-Powered Systems and as Active Mechanical and Chemical Sensors”, ACS Nano, 2013, 7, 9533

[2] Zhong Lin Wang, Jun Chen and Long Lin, “Progress in triboelectric nanogenerators as a new energy technology and self-powered sensors”, Energy & Environmental Science, 2015,

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