科研人員在固液界面摩擦起電研究獲新進展

摩擦起電是界面摩擦過程中普遍存在的一種物理現象，其電荷積累易導致表面帶電。特別是對含油界面，界面靜電原位復合被抑制，靜電積累加劇，易導致油品積碳和加速氧化失效，其危害不容忽視。固-液界面摩擦起電的機理復雜，既受控于界面雙電層的性質，又受控于液體在固體表面的潤濕行為與界面性質，這為開展固液界面摩擦起電機理與靜電防護研究帶來極大挑戰。

近年來，中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室王道愛研究員團隊，將摩擦學研究與界面摩擦電研究相結合，從宏觀到微觀，系統研究了界面摩擦電子產生與積累對材料性能的影響規律和調控機理，并研究了其在摩擦與潤滑界面監測、輸運管道預警、摩擦調控等領域的初步應用。

影響固液界面摩擦起電的因素眾多，導致人們對其機理與本質的認識未完全統一。該團隊通過建立固液界面的新模型，探究了摩擦起電機制與界面雙電層的內在關系，研究了溫度耗散、液體離子濃度、pH導致的反離子吸附、表面組分等因素的影響，揭示了電子轉移和離子轉移在固-液界面起電中的共同作用（圖1）。為進一步通過調控潤滑介質組分實現機械裝備中摩擦界面的靜電防護提供了理論和技術支持。此外，研究人員還系統研究了油-固摩擦界面的摩擦起電行為，揭示了油潤滑界面摩擦起電與潤濕性的關系，闡釋了潤滑油性質與摩擦起電的關系，設計了基于摩擦電的潤滑品靜電預警及油潤滑界面乏油狀態預警系統。相關研究成果發表在Nano Energy（2022, 104, 107900;2022, 104, 107930; 2020, 78, 105370）和 Tribology International（2022, 165, 107323）上。

圖1 固-液界面摩擦起電示意圖及影響因素

表面潤濕行為是影響固液摩擦起電的另一重要因素。該團隊通過設計材料表面結構、組分、界面接觸等因素，系統探究了固-液界面潤濕性、黏附和界面接觸與摩擦起電的相互關系。通過固-液摩擦起電準確地量化和跟蹤了潤濕動力學（圖2），進而原位揭示了表面微觀結構調控潤濕轉變行為的機制。此外，研究人員還根據PCL構象變化與摩擦電學行為之間的密切相關性，利用液-固摩擦電信號研究了兩親性聚合物的表面重構行為，探索了其在界面潤濕性監測和智能潤滑檢測等領域中的潛在應用。相關成果發表在Advanced Science (2022, 9, e2200822)、Advanced Functional Materials（2021, 31, 2010220; 2019, 29, 1903587）上。

圖2 固-液界面摩擦起電解析胡模型與潤濕性轉變跟蹤

近日，該團隊利用一種類似文丘里管的結構，通過耦聯摩擦起電效應與擊穿放電效應，創新性地研究了氣體-液體兩相流與固體界面的摩擦起電行為。研究人員利用流體的流變學性能，解決了固-液在摩擦起電收集過程中接觸面積小、接觸分離速度、輸出性能低等問題，實現了用1.0 mL水獲得3789V和867μA瞬時電流和電壓輸出的新紀錄，分別是傳統設計的1890和430倍（圖3）。在微觀的電荷轉移機理方面，基于密度泛函理論（DFT）建立模型對固-液界面的電荷轉移進行仿真模擬，利用專業的流體仿真軟件和高速攝像機對氣液兩相流在固體器件內的動力學特性進行分析。該研究對認識多相流與固體界面之間的摩擦起電行為以及機械運動過程中高速油液的靜電防護具有重要意義。該研究工作以“Gas-liquid two-phase flow-based triboelectric nanogenerator with ultrahigh output power”為題發表在Science Advances（2022, 8, eadd0464）上。

圖3 氣體-液體兩相流摩擦起電機制研究示意圖

上述工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院先導B培育等項目的支持。