研究进展：Reports on Progress in Physics从接触起电到摩擦纳米发电机

研究背景

摩擦起电 (TE) 是我们日常生活中最常见的现象之一。自古希腊文明以来，TE已有约2600多年的历史，它存在于我们生活中的任何地方、任何时间和任何地方。当孩子们在中学学习物理时，TE就是引入的第一个关于电的效应（图1a）。但尽管这种普遍现象发生在所有相的所有已知物质中，固体、液体甚至气体（图1b），但对 TE 机制的理解长期以来一直存在争议，仍然没有定论。近一个世纪前，《Nature》发表了一篇关于摩擦生电的文章，指出“这类研究看似简单，但那些花时间研究这个课题上的人都会承认它是极其令人费解的；而那些没有这样做的人都会记得，尽管物理学家付出了巨大的努力，但该学科还没有通过先驱阶段”。从那时起，100年过去了，这句话仍然是正确的！Lacks和Shinbrot 最近的一篇综述涵盖了上个世纪我们在理解 TE 方面取得的重要进展，但有关 TE 的机制仍不清楚（图2）。

尽管TE是电的基本效应，但由于多种原因，研究TE的机制相当麻烦。首先，TE是一个非常复杂的过程，不仅涉及摩擦学中发生的基本过程，还涉及界面电荷交换和隧穿。忽略TE和CE之间的区别使研究变得相当困难。其次，TE 效应发生在所有物质的所有相中，因此提出一个涵盖如此广泛的材料和相的统一物理模型是相当具有挑战性的。第三，在 Kevin 探针力显微镜 (KPFM) 发明之前，缺乏探测纳米级 TE 的工具是该领域的主要限制。最后，TE 一直被认为是一种负面影响，因为它会产生电火花和放电、增加摩擦和产生能量损失，在制药时会扰乱流动和混合等等。另一方面，尽管TE是古代人类通过摩擦生火取暖和烹饪的第一种技术的基础，但 TE 在当今的先进技术中几乎没有用途。

所以问题是：我们最新的理解有什么新的地方？为什么我们仍然关心TE？如果我们完全理解TE会产生什么结果和影响？

由于摩擦纳米发电机 (TENG)的发明，研究 CE（接触起电）机制的兴趣正在重新受到关注！这是一种通过使用不规则、低频和分布式机械能转化为电能的基础技术，是 TE 和静电感应的结合。TENG的面功率密度能够达到 500 W/m2，并且已经证明具有>50%的转换效率。TENGs可以收集我们日常生活中随处可见但被浪费掉的各种机械能，如人体运动、行走、振动、机械触发、旋转轮胎、风、流水等，因此在物联网和分布式能源网络领域有着重要的应用。因此，对 CE 的基本理解对于将 TENG 改进为主要能源技术具有重要意义。此外，TENG 用作自供电传感器，可使用其电输出信号主动检测由机械扰动等引起的动态过程，其自供电传感器在机器人、软电子和人工智能领域具有潜在应用。因此，TENG的发明和未来应用为研究 CE 的基础科学提供了理由，旨在建立这种新能源技术的科学基础并显著提高其性能。

事实上，令我们惊讶的是，这是物理学中一个尚未被广泛研究的“被遗忘的角落”。

图1、摩擦起电示意图

图2.、2000年以来摩擦带电研究历史的主要进展。

文章简介

尽管接触起电（CE）（或通常称为“摩擦起电（TE）”）效应已为人所知 2600 多年，但其科学机制在几十年后仍然存在争议。而由于摩擦纳米发电机 (TENG) 的发明，最近重新燃起了对 CE 的研究兴趣，这是将随机、低频机械能转换为分布式能源的电能最有效方法。这篇综述由三部分组成，从基础物理学到经典电动力学，再到技术进步和工程应用，这些部分都紧密相连。首先，针对涉及固相、液相和气相的一般情况研究 CE 的机制。通过说明电子转移是固-固界面 CE 的主要机制，提出了各种物理模型来解释CE的基本原理。同时电子转移也发生在CE中的液-固和液-液界面，并提出了一个电子云重叠模型来一般地解释CE。该电子转移模型扩展到液固界面，对液固界面双电层（EDL）形成机制给予了修正。其次，通过在位移场 D 中添加由 CE 诱导表面静电荷产生的时间相关极化项 Ps，我们扩展了麦克斯韦方程以包括由于电场 (P) 和非电场（例如应变) (Ps) 诱导的极化项。从这些中，TENG 的输出功率、电磁行为和电流传输方程都可以从第一性原理系统地推导出来的，给出了修正麦克斯韦方程组的一般解，并为少数情况提供了输出电位的解析解。ε∂E/∂t产生的传导电流负责电磁波，而新增加的项∂Ps/∂t 负责能量和传感器。这项工作为量化 TENG 的一般性能和电磁行为设定了标准理论。本文由王中林院士亲自执笔，相关文章以“From contact-electrification to triboelectric nanogenerators”为题发表在物理类顶级综述期刊《Reports on Progress in Physics》上，是深入理解接触起电的机理，摩擦纳米发电机的第一性原理和理论，以及摩擦纳米发电机相关应用的必读教材。

本综述连贯而全面地介绍了CE产生的科学、技术和实际影响，并根据过去二十年的最新研究，回答了以下基本问题：

1) 当两种材料物理接触时，静电荷是如何产生的？它们的物理性质是什么？我们的重点是说明几种界面配置中不同相材料之间的电子转移，例如固-固、液-固和液-液。

2) 电介质表面的静电荷如何驱动电子流动并为 TENG 提供动力？我们通过引入非电场项产生的极化来扩展麦克斯韦方程，并使用它们和相关的第一原理理论推导出 TENG 的理论。

3) CE 结果量化表面电荷密度的标准是什么？

4) TENG的主要应用是什么？本节是关于我们研究 CE 基础及其技术影响的技术原因。