相同材料之間的接觸也會起靜電！為什么？

　　我們現實生活中熟知的兩種不同材料接觸分離后，各自會帶上等量相反電荷，即發生了接觸起電。例如例如玻璃棒摩擦毛皮，PTFE和金屬等。這些不同材料之間的接觸起電，是由于功函或接觸勢的不同而導致，并且可以用表面態模型或電子云勢阱模型來解釋（Adv. Mater. 2018, 30, 1706790 ； Adv. Mater. 2018, 30, 1803968 。然而極不尋常的是，接觸起電還可以發生在化學成分完全相同的材料之間，而它們被認為具有相同的接觸電勢。這種相同材料間的接觸起電，目前仍沒有一個物理機制上的合理解釋。

圖1 相同材料間的接觸起電機制。a)具有理想平面的同種材料A和B的表面態模型；b-d)不同表面曲率的同種材料A和B在接觸前、接觸時和分開后的電荷轉移表面態模型。LUMO，未占有電子的能級最低的軌道；En, 表面態的中間能級；HOMO，占有電子的能級最高的軌道。

　　接觸起電實際是一個非常復雜的過程，因為接觸物之間可能存在多種不同的相對運動。我們把這些運動簡化為兩種：相對滑動和垂直的接觸-分離。毫無疑問，滑動更容易導致材料尤其是表面的損傷，產生物質或離子轉移，影響真實的電荷轉移方向。但是，如果采用施加較小作用力的接觸-分離模式，則可以在一定程度上避免損傷。近年來發明的摩擦納米發電機(Triboelectric nanogenerator，TENG)，除了可用于環境中多種形式能源的獲取外，還可用于精確、實時的表面電荷密度研究。特別是，TENG有著多種工作模式包括接觸-分離，并且可以精確控制作用力大小，這就為研究相同材料間起電機制提供了一種新的思路。

　　近日，佐治亞理工學院教授、中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士等研究人員制備了具有不同形狀或曲率表面的同種材料TENG ，通過研究這些TENG在接觸-分離工作模式下的電荷轉移情況, 揭示了同種材料間接觸起電的物理規律。研究發現，材料的凸表面或正曲率更容易得到負電荷, 而凹表面或負曲率則更容易獲得正電荷。此外，對于兩種曲面接觸, 增大施加的作用力容易導致電荷轉移方向的反向。上述規律在低真空和高溫下得到了進一步驗證。基于以上結果，提出了一種曲率效應導致材料的表面態改變的同種材料間接觸起電的電荷轉移模型。該模型不但可以解釋大塊曲率不同的材料表面起電現象，而且也可以解釋微觀局部曲率不同而產生的正負電荷偏析分布的Mosaic圖形。 該研究在理解接觸起電本質的道路上邁出了新的一步，同時也為后續發展不同材料和同種材料間的起電機制的統一理論提供了可能。相關成果以“Contact-Electrification Between Two Identical Materials: Curvature Effect”為題發表在ACS Nano上（https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsnano.8b08533）。