国产精品igao视频网网址不卡日韩,亚洲综合在线电影,亚洲婷婷丁香,黄色在线网站噜噜噜

  接觸起電器件在微能源收集、多模態傳感領域具有廣泛的應用。然而，其背后的根本原理——接觸起電具有復雜的過程，多種靜電荷轉移的機制之間也并不完全獨立發生。因此，接觸起電的轉移電荷結果往往是難以預測且具有不穩定性的，這嚴重阻礙了接觸起電應用的推廣發展。接觸起電不確定性的因素之一是材料本身具體的表面性質，同種材料表面納米級結構、摻雜缺陷、殘余應力等的差異都會引起起電結果的變化；另一個因素則是在材料運輸、儲存過程中，表面不可避免地沾染環境中存在的隨機的、無序的電荷（來自與其他材料甚至是空氣中的粒子接觸），稱之為原始電荷。這些原始電荷改變了接觸起電的初始狀態，進一步導致了起電結果的不確定性。接觸起電結果的不確定性是目前所有接觸電器件都難以回避的問題，引發相關器件輸出功率不穩定、傳感不精確等問題。所以，我們迫切需要尋找一個克服不確定性的途徑，將接觸起電的結果確定化、規范化。在這種情況下，對接觸起電機制的解析和進一步探索，是從根源上指導材料設計和規避接觸起電不確定性的關鍵。

  基于接觸起電的多種機制以及上述提到造成接觸起電不確定性的原因，中科院北京納米能源與系統研究所陳翔宇研究員團隊利用離子吸附特性和物質轉移起電之間的互不干擾和協同共存的特點，首次設計了一種具備電荷清洗和再次賦電功能的丙烯酸酯壓敏膠（PSA）接觸起電材料體系ATE。接觸時嵌入ATE中的離子液體（ILs）通過靜電吸附徹底中和掉在材料表面的原始電荷，PSA分子鏈則部分黏附在接觸表面，在分離時被撕扯導致分子鏈共價鍵異裂產生的電荷重新賦予接觸表面確定的、歸一化的電荷。離子液體吸附可以輕易地洗去吸附在材料表面的電荷，也可以中和由于接觸產生的靜電荷，但如何在屏蔽之后重新生成新的電荷是一個難題。電子轉移產生的靜電荷顯然會被離子無差別屏蔽，而通過強粘性引入物質轉移所產生的電荷則可以在屏蔽層之外生成，物質轉移機制與離子吸附機制之間的起電效果互不影響、完美共存，使接觸起電結果的穩定性得到保證。同時，由于新電荷的產生不依賴于材料的表面特性，而是源自化學鍵的異裂，斷裂產生結果是唯一的，即斷裂端的負電荷，這樣一來即可突破材料不確定性的限制，使接觸起電的結果具有一致性。加入粘性因子，可以控制材料黏附的部分的成分，使得共價鍵斷裂的位置、斷裂的數量符合預期，再生成的電荷的人為調控和精準控制也成為可能。所制備的ATE體系在幾乎所有常用的接觸起電材料表面都能產生-50至-70 μC/m²的負電荷，意味著我們可以主動地控制接觸起電的過程，而不只是被動地為接觸起電尋求一個合理的解釋。而精準控制接觸起電的結果，不僅提高了接觸電器件的可靠性，也為更進一步解答界面科學中其他物理現象的機制提供了新的條件變量。

  2026年3月13日，相關結果以“Ionic and adhesive triboelectric elastomer for normalizing charge polarity and density of contact electrification with general material”發表在國際期刊Science Advance，第一作者為博士生覃思遙，陳翔宇研究員作為唯一通訊作者。

圖1. 三種公認的電荷轉移機制，接觸起電中原始電荷的來源與克服不確定性的設計。

  在兩種材料的接觸界面處，由于材料表面狀態的復雜性，可能會同時發生多種電荷轉移機制。目前公認的三種靜態電荷產生的機制是：（1）電子轉移；（2）離子吸附；（3）物質轉移。電子轉移通常發生在功函數差異顯著的表面處，在接觸時機械力會促使電子轉移到更低的能量狀態。離子吸附包括化學吸附或物理吸附，通過離子與表面結合或由于酸堿配位或靜電吸附而產生電荷。物質轉移伴隨著分子鏈上化學鍵的斷裂，這種斷裂可以在聚合物鏈的任何位置發生，從而在接觸表面留下帶有電荷的分子片段。電子轉移和離子吸附之間的競爭干擾可能會發生，其中離子和電子通常會競爭占據相同的轉移位點或在接觸界面耦合。材料轉移是獨立發生的，因為材料轉移過程會帶來新的材料碎片和新的活性位點到接觸界面。同時，電化的結果取決于斷裂部位兩側的功能基團的差異，使得材料轉移效應與另外兩種機制并行運作。因此，通過結合離子轉移和材料粘附，團隊提出了這種電荷中和和可控電荷再生的雙重功能作為我們工作的材料設計策略。

  通過材料設計，例如添加導電聚合物和離子液體，可以在每次接觸時消除材料表面的預先存在的電荷，確保表面的電荷密度在每次電化后恢復到初始狀態。同時，通過設計特定的轉移物質，如在PSA中添加增粘官能團，可以在重置表面產生固定極性和固定數量的電荷，從而實現CE結果的標準化和可控性。

圖2. ATE體系接觸起電的機制。

  當帶有原始電荷的目標材料與含有局部離子液體和高度粘性的兒茶酚基團的ATE表面接觸時，在靜電相互作用的驅動下，ATE表面的離子能夠中和目標材料上的原始電荷。同時，兒茶酚基團通過氫鍵、配位鍵或親核取代反應等與目標材料上的結合位點形成強結合鍵。分離后，轉移的離子留在目標材料的表面，而碳鏈隨著目標材料的移動而伸展。由于較低的鍵解離能和不均勻的電子云分布，酰胺基附近C-C鍵和C-N鍵的異裂具有更高的發生概率，從而產生負電荷片段。最后，帶有負電荷的離子和碎片會留在目標材料表面，從而得到歸一化的CE結果。此外，在ATE體系中，離子液體的選擇和具有粘附力的基團的選擇都是多樣的，為提出的ATE體系具有提供了更高的適應性。

圖3.對具有不同起電性能的常用材料進行起電測試，測試對象包括：FEP、PTFE、聚酰亞胺（Kapton）、鋁、PA66、NBR、PDMS、聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乙烯醇（PVA）、銅（Cu）、銀（Ag）、玻璃、鋼和硅。

  將ATE與目前常用的多種接觸起電材料接觸分離，利用單電極TENG測試其在這些表面產生的起電電荷。在接觸前，材料表面被清潔以達到電中性狀態，確保不存在預先存在的電荷。如圖3a所示，接觸后，所有材料的表面通過ATE產生電荷密度，范圍都在-50 μC/m²至-70 μC/m²之間。并且，對于預先充電使表面存在初始電荷密度的樣品，仍能獲得類似的接觸起電電荷密度結果，如圖3b所示。這一實驗結果有力地證明了使用離子液體和高粘附力基底的ATE設計理念在接觸起電歸一化方面帶來的顯著效果。

圖4 EMI⁺和TFSI^-在的PA66（a和b）以及FEP（c和d）表面分布。

  預充電的FEP和PA66分別與30cIL-PSA薄膜接觸后，EMI⁺和TFSI^-在兩個表面上的二維分布如圖4所示。在PA66表面，接觸后吸附的TFSI^-的數量（圖4b）遠高于EMI⁺的數量（圖4b），這是因為在靜電力作用下，更多的陽離子被PA66表面預接觸時產生的正電荷吸引，從而吸附在PA66表面以中和正電荷。相反，在FEP表面，EMI⁺（圖4c)）和TFSI^-（圖4d）的分布表明，此處發生了更多的陽離子吸附以中和FEP表面預先存在的負電荷。同時，無論是在表面吸附陰離子還是陽離子，FEP和PA66與ATE的接觸的CE結果都是負電荷。因此，離子液體在CE中的作用并非是產生電荷，而是中和預先存在的電荷。

圖5 SiO2表面電勢分布與形貌（ATE起電）。

  由ATE與SiO₂接觸分離產生的電荷帶來的表面電勢分布以及表面形貌可以看出，負電勢主要集中在由ATE斑點覆蓋的，表面起伏較高區域。隨著溫度的升高，ATE的流動性增加，斑點逐漸擴散，這使得電勢的分布也擴展并逐漸在表面上均勻分布。至此，可以確定，在與ATE接觸后所產生的電荷并非主要由電子轉移所致，而是源自帶電的ATE分子鏈片段。

  ATE體系具有穩定且長期的充電效果，確保了靜電傳感器的穩定性和準確性，這種穩定性對于新興的非接觸傳感領域，特別是靜電追蹤技術尤其有益。靜電跟蹤技術利用靜電電荷產生的電場來捕捉物體的運動軌跡，在非視覺狀態下實現跟蹤效果。作為一種輔助性的跟蹤技術，與視覺跟蹤相比，它在虛擬現實、機器人控制和具身智能等領域得到了廣泛應用。基于常見接觸起電材料的靜電跟蹤技術面臨著不同物體間信號變化的問題，這通常需要預先校準以確保信號的準確解讀，并且還會在信號后處理中引入更多的復雜性。此外，該系統難以跟蹤未知物體，因為它們的信號尚未被預先識別或輸入到系統中。除此之外，在開放的跟蹤環境中，物體的表面狀況是隨機的，這使得靜電跟蹤的信號識別更加困難。然而，通過確保歸一化的接觸起電過程，可以消除被跟蹤物體信號中的隨機變化，并且可以利用高度可控的靜電電荷作為標記，就像藍牙信號發射器一樣，從而能夠實現精確的物體跟蹤。

  使用具有6×6個輸出通道的傳感陣列演示其靜電追蹤功能。整個器件有效面積為3.5×3.5 cm，每個傳感器單元的寬度和高度均在3 mm以內，且該陣列可在彎曲狀態下使用，從而使得傳感陣列能夠方便地集成到復雜的表面上。圖4-43展示了在非接觸模式下檢測聚四氟乙烯（PTFE）和尼龍探針時靜電跟蹤信號的數據可視化。在與ATE接觸前，由于PTFE探針和尼龍探針原始電荷不同，檢測電極在相同高度上檢測到不同的信號。接觸后，在相同的高度，兩種探針在不同的點位上觀察到了同樣的信號強度，這表明對不同探針進行跟蹤時產生的相同電荷。因此，只要與傳感器表面的ATE接觸后，被追蹤物體就會被帶上標記電荷，此時傳感信號強度就只與目標的位置相關。這樣的傳感效果可以在視覺受限且無法預先預測材料特性的情況下輕松排除無關變量的干擾。這一應用首次提出了將靜電荷作為追蹤目標的概念和方法，給CE的應用帶來了新的突破，特別是在人機交互和智能機器人領域，這種非視覺的主動追蹤有望賦予機器人更接近人類觸覺的感官。

圖6 基于ATE的傳感器陣列與靜電追蹤功能演示。

  結論

  研究團隊進行了接觸起電各種機制間相互作用的探索，并成功基于離子中和效應和化學鍵異裂效應實現了歸一化且高度可控的CE過程。根據這兩種效應的結合，使用離子液體EMITFSI和PSA作為成分合成了ATE薄膜，它在CE過程中總是能夠保持賦予目標材料相同極性的電荷和高度可控的電荷密度，且效果不依賴材料本征屬性。在CE過程中，離子液體能夠產生一種普遍適用于各種材料表面的電荷中和效應，中和接觸表面原始電荷，而帶有粘性基團的PSA則確保在目標表面上產生具有固定極性和幾乎相同電荷密度的電荷。所有與ATE相接觸的常見接觸起電材料（尼龍、FEP、鋁、NBR等）在其表面都會產生-50至-70 μC/m²的負電荷，無論初始表面電荷（正電荷或負電荷）是否存在。CE結果的歸一化和確定性有望促進接觸靜電器件的實際應用，并通過將界面電荷產生的不確定性轉化為更穩定和可控的過程，推動界面科學的發展。

  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec1580