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新见解可为自供电低能耗设备铺平道路

2019-03-27 16:13:18来源:

大多数人都感觉到在走过地毯后抓住一个门把手,或看到气球在剧烈摩擦片刻后会如何粘在模糊的表面上。

虽然几千年来静电的影响一直是休闲观察者和科学家的迷人之处,但电流如何产生和存储在表面上的某些方面仍然是一个谜。

现在,研究人员已经发现了更多有关某些材料即使在两个表面分离后仍能充电的细节,这些信息可以帮助改善利用这种能量作为电源的设备。

“我们已经知道,接触带电产生的能量在室温下很容易被静电荷保留几小时,”佐治亚理工学院材料科学与工程学院的Regents教授钟林林说。“我们的研究表明,在表面存在潜在的阻挡层,可防止产生的电荷流回固体,在接触后它们从表面流出或从表面逸出。”

“围绕接触电气化存在一些争论 - 即电荷转移是通过电子还是离子发生的,以及为什么电荷保留在表面而不会快速消散,”王说。

自王氏团队首次发表摩擦电纳米发电机研究已有8年,摩擦电纳米发电机采用的材料在运动时可产生电荷,可用于从风,洋流或声音振动等各种来源获取能量。

“以前我们只是使用反复试验来最大化这种效果,”王说。“但是通过这些新信息,我们可以设计出更好的功率转换性能的材料。”

研究人员开发了一种使用纳米级摩擦纳米发电机的方法 - 由钛和氧化铝或钛和二氧化硅层组成 - 有助于量化摩擦瞬间在表面积聚的电荷量。

该方法能够实时跟踪累积的电荷,并在很宽的温度范围内工作,包括非常高的温度。研究数据表明,摩擦电效应的特征,即电子如何穿过势垒,与电子热电子发射理论一致。

通过设计能够承受高温测试的摩擦电纳米发电机,研究人员还发现温度在摩擦电效应中发挥了重要作用。

“我们从未意识到这是一种与温度有关的现象,”王说。“但我们发现,当温度达到约300摄氏度时,摩擦电转移几乎消失。”

研究人员测试了表面在约80摄氏度至300摄氏度的温度范围内保持电荷的能力。基于他们的数据,研究人员提出了一种解释摩擦起电效应中物理过程的机制。

“随着温度的升高,电子的能量波动变得越来越大,”研究人员写道。“因此,电子更容易从势阱中跳出来,它们要么回到它们来自的物质,要么发射到空气中。”