聶雙喜教授團隊 Adv. Funct. Mater.：摩擦電探針新成果
液固接觸起電是一種經典的物理現象，也是分析流體狀態的重要途徑。摩擦納米發電機（TENG）的發明實現了比傳統液固發電機高幾個數量級的瞬時輸出，是研究液固接觸起電現象的先進工具。利用TENG開發新型的摩擦電探針，它可以短時間內原位計算液固接觸時的電荷量，這對于檢測液固界面的電荷轉移也是一個巨大的優勢。然而，液固接觸起電是一個十分復雜的物理化學過程，極易受溶液中離子含量、pH和分子氫鍵的干擾，尤其是對于成分復雜的混合流體。解析基于混合溶液的液固接觸起電現象，并提升摩擦電探針在多種液體環境中的應用潛力，一直是TENG領域由基礎研究邁向產業化進程中極具挑戰且十分迫切的研究方向。
近日，廣西大學劉濤等人利用摩擦電探針研究了蔗糖溶液的液固接觸起電過程，提出了流體力學狀態、分子間氫鍵以及離子吸附的混合干擾機制。利用摩擦電探針對蔗糖溶液梯度式的電信號反饋，從而實現了蔗糖濃度的高效傳感（靈敏度為-0.0038%-1，同時響應時間為90 ms）。這項成果以題為“Liquid-Solid Triboelectric Probes for Real-Time Monitoring of Sucrose Fluid Status”發表在了《Advanced Functional Materials》上，2022級博士生劉濤為本研究第一作者，聶雙喜教授和陸登俊副教授為通訊作者，莫文鳳、鄒雪蓮、羅斌、張松、劉艷華、蔡晨晨、遲明超、王金龍參與研究。
1. 摩擦電探針的設計
液固摩擦電探針如圖1所示，將高電子親和力的FEP薄膜作為使液滴帶電的介電質基材，并在FEP薄膜的頂部、底部表面上分別貼敷銅電極作為電荷采集端，銅針（直徑為100 μm）從頂部電極中心處引出。當溶液與FEP接觸時，由于水分子與FEP的電子親和力不同，水分子的電子傾向于向FEP轉移，這個過程導致液滴帶電。隨著液滴滑落，分別依次接觸摩擦電探針的頂部針電極及底部銅電極，依次實現了液滴中負電荷和正電荷的分離。
圖1. 摩擦電探針的工作原理。
2. 關鍵證據1：流體力學特征
在以往的研究中，液滴式的摩擦電探針易受液滴體積的影響。這項研究發現，蔗糖的溶解改變了溶液的流體力學特征，將直接影響著摩擦電探針的探測液固界面電荷轉移的準確性。根據典型的Harkins理論計算，明確了液滴體積（Vt）主要由溶液密度（ρ1）和表面張力（σ）共同決定。并通過實驗驗證，證實了蔗糖濃度對液滴體積的影響。對于多元混合溶液，其流體力學特征往往與水溶液有很大區別，尤其是對于表面張力和粘度變化特別大的混合溶液。這項研究首次揭示了混合溶液流體力學特征對摩擦電性能的影響機制，為摩擦電探針應對復雜溶液的檢測提供關鍵科學支撐。
圖2. 溶液流體力學對摩擦電性能的影響。
3. 關鍵證據2：分子間氫鍵作用力
在以往的研究中，普遍認為氫鍵作用是抑制液固接觸電荷轉移的關鍵因素。通過密度泛函理論分析，發現蔗糖分子中羥基的電位高于水分子，這意味著蔗糖更容易與水分子形成氫鍵網絡，同時破壞水分子之間的氫鍵網絡。并通過FT-IR驗證了分子間氫鍵的形成。結合前人的研究可以得出結論，蔗糖分子與水分子形成分子間氫鍵，牽引并阻止水分子參與液固界面的電荷轉移，從而抑制了摩擦電探針可檢測的電荷量。
圖3. 分子間氫鍵對摩擦電性能的影響。
4. 關鍵證據3：離子吸附與離子屏蔽
這項研究還發現，蔗糖濃度的提升導致溶液微弱向酸性變化且電導率上升。這意味著蔗糖的溶解促進了水的電離，釋放了更多氫離子。在溶液中，離子的體積遠比分子小，因此離子更容易通過吸附固定至液固界面處，阻礙水分子與FEP電荷轉移，從而產生電荷屏蔽效應。
圖4. 離子吸附對摩擦電性能的影響。
5. 基于摩擦電探針的蔗糖流體在線檢測裝置
基于上述三方面的研究結論，可以明確蔗糖的溶解導致摩擦電探針產生梯度式的電信號反饋。因此，摩擦電探針可以作為一種傳感性能優異的濃度檢測工具。分別探究了摩擦電探針在有線和無線模式下，對蔗糖濃度的傳感性能。有線模式下，摩擦電探針對蔗糖濃度傳感的靈敏度為-0.0038%-1，響應時間為90 ms。無線模式下，摩擦電探針依然可以實現蔗糖濃度以及流體狀態的實時檢測。
圖5. 用于檢測蔗糖濃度的智能傳感器。
本研究報道了一種可用于檢測蔗糖流體濃度的摩擦電探針。研究結果表明，蔗糖溶液影響液固接觸電性能的原因可能有三個方面。首先，蔗糖的溶解改變了溶液的流體力學特性，減小了液滴尺寸和液固接觸面積。其次，蔗糖分子與水分子形成氫鍵，從而阻礙了與固體發生電荷轉移的數量。最后，蔗糖的加入增加了溶液中的離子含量，從而產生更強的電荷屏蔽效果。基于以上發現，該摩擦電探針已成功應用于蔗糖濃度傳感，獲得了優異的傳感靈敏度（-0.0038%-1）和響應時間（90 ms）。該摩擦電探針還應用于蔗糖液的在線監測，實現了對蔗糖濃度和流體狀態的實時無線傳感。這項工作有助于理解溶液微觀特征與宏觀摩擦電性能之間的構效關系，并為構建可持續的智能傳感器提供了有前景的解決方案。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202304321
