2025-08-08 10:30:34
【导语】冬天静电频发，让人不胜其烦。但科学家们却从中看到了新的能源可能——摩擦电纳米发电机（TENG）。这种装置能将日常摩擦产生的静电转化为电能，为低功耗设备供电。尽管目前面临技术瓶颈，但最新研究表明，通过创新设计，如利用聚合物微珠实现快速组装与自修复，TENG的稳定性和耐用性得到显著提升。未来，我们或许能见证更多自供电电子设备的诞生，迈向“自供电时代”。本文将深入探讨摩擦电纳米发电机的原理、最新进展及其潜在应用。
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冬天最烦人除了冷之外，还有走到哪“电”到哪！脱毛衣“噼里啪啦”，摸门把手“啪”一下，就连握手都能被电到。这些都是摩擦电在作怪。不过，科学家们正把这种静电现象，变成一种真正能发电的“黑科技”！
摩擦电纳米发电机，简单来说，就是把你冬天脱毛衣时“噼里啪啦”的静电，变成可以被利用的电能，用来驱动一些小型电子设备或传感器。虽然目前功率还比较有限，但已经展现出为低功耗设备供电的潜力。
其实早在2012年，王中林院士团队就在《ACS Nano》杂志上首次提出了“摩擦电纳米发电机”（TENG, Triboelectric Nanogenerator）的概念，简单来说，当两种不同材料反复接触-分离时，由于不同材料对电子的“吸引力”不同（称为电子亲和力），导致两个表面分别带上正负电荷而产生摩擦电。
这时候，如果在它们后面装上两个电极，并且让它们“动起来”——比如一上一下振动、滑动、拉伸等——那么由于电荷之间的重新分布，会在电极之间形成电势差，电子就会“顺势而为”地流动，从而形成电流。
这套装置不需要磁铁、不用线圈、甚至不用外部电源，只靠材料“接触-分离”就能发电，而且原材料便宜、轻巧又环保，简直是低成本能源界的“天选之子”。
这么好用，为什么这套装置还没有普及呢？
因为还有很多技术瓶颈没有突破。比如说，微结构排列难以精准控制，常常导致性能不稳定、重复性差；材料本身也不够“抗造”，容易磨损、寿命短；摩擦材料的制备过程还又贵又繁琐，技术门槛高；此外，想要同时兼顾微颗粒的尺寸与机械性能更是难上加难，尤其是在干燥条件下，小于10微米的颗粒带电行为更是难以预测。
不过这些技术瓶颈正在一个个被解决。
2025年2月5日，布鲁塞尔自由大学（VUB）与荷兰特文特大学合作团队在国际期刊《Small》上发表了他们关于摩擦纳米发电机最新的研究成果。
该合作团队成功研制出可快速组装、超稳定且具自修复能力的聚合物微珠单层摩擦电纳米发电机。这一创新设计在10,000次循环测试后仍能稳定输出电能，展现出前所未有的耐用性，为下一代自供电技术打开了新局面
这是如何做到的呢？关键在于这个聚合物微珠。
这项研究中，科研团队采用了一种叫“无溶剂摩擦组装”的方法来制备聚合物微珠。简单来说，聚合物微珠就是由一些有机高分子材料（比如PMMA、PS或MF树脂）制成的小球，直径通常在几十纳米到几十微米之间。它们的优点是大小一致、结构可控、而且表面很容易进行功能处理，这些特性使它们非常适合用来构(gòu)建(jiàn)整齐排列的微型结构。
那么，研究人员是怎么让这些微小的球自己排好队的呢？他们先把微米级的微珠均匀撒在涂有金层的玻璃基底上，然后用一块柔软的PDMS（聚二甲基硅氧烷）“橡皮”，像擦黑板那样轻轻在表面摩擦。就是这么一个简单的动作，微珠就开始自己“滚动”起来，自动排成了蜂窝状的六边形紧密结构（HCP），整个过程不到20秒，既快速又高效。
相比传统靠溶剂、蒸发、自组装的方式，这种方法不需要溶剂，没有污染，还特别容易调整：如果排列不整齐，只要再“擦”一遍就能重新排列好。这项技术(shù)首(shǒu)次(cì)实(shí)现(xiàn)了(le)在(zài)干(gàn)燥(zào)条(tiáo)件(jiàn)下(xià)，让(ràng)直(zhí)径小(xiǎo)于(yú)10微(wēi)米(mǐ)的(de)颗(kē)粒(lì)也(yě)能(néng)稳(wěn)定(dìng)、有(yǒu)序(xù)地(de)排(pái)列(liè)，不(bù)仅(jǐn)有(yǒu)助(zhù)于(yú)研(yán)究(jiū)颗(kē)粒(lì)间(jiān)的(de)静(jìng)电(diàn)作(zuò)用(yòng)，还(hái)为(wèi)低(dī)成(chéng)本、高效率地制造摩擦电设备提供了新思路。
为什么聚合物微珠可快速组装、超稳定且具自修复能力呢？主要归因于以下四点。
第一，聚合物微珠本身的“先天条件”非常好——它们的大小几乎一样，形状也非常规整，像一个个小小的标准球。这种一致性让它们在摩擦过程中更容易紧密排列，形成蜂窝状的六边形堆叠结构（HCP），既紧凑又有序。
第(dì)二(èr)，研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)采用(yòng)了(le)一(yī)个(gè)巧(qiǎo)妙(miào)的(de)方(fāng)法(fǎ)：用(yòng)一(yī)块(kuài)柔(róu)软(ruǎn)的(de)PDMS材(cái)料(liào)（像(xiàng)橡(xiàng)皮(pí)一(yī)样(yàng)）在(zài)硬(yìng)质(zhì)基(jī)底(dǐ)上(shàng)轻(qīng)轻(qīng)来(lái)回(huí)擦(cā)动(dòng)。这(zhè)个(gè)过(guò)程(chéng)会(huì)在(zài)微(wēi)珠(zhū)上(shàng)施(shī)加(jiā)一(yī)个方向一致的“剪切力”，使得它们像滚小球一样滚动移动，从而在短短20秒内自动排成整齐的队形。
第三，在摩擦的过程中，微珠和底部基材之间会发生微弱的电荷转移，产生静电吸附力。这种吸附力能帮助微珠更牢固地贴在基底上，从而稳定地保持排好的结构，不容易被打乱。
第四，即使排列的结构受到轻微破坏，比如摩擦不均或受到扰动，也不用担心。这种微珠排列不是刚性的，它们之间能保留一定的流动性。只要再擦一遍，微珠就能重新滚动、再度排列好，实现“自我修复”。
这四点共同构成了这种无溶剂摩擦(cā)组(zǔ)装(zhuāng)法的核心优势：快速、高效、可重复、易修复。
简单来说就是，聚合物微珠个头大小一致，形状非常圆，像一颗颗迷你弹珠。当你把它们撒在一个表面上，就像小球在桌面滚动——它们会自动排列成整齐的图案，不需要复杂的操作或高温加热。摩擦过程中微珠还会带上静电，把它们吸在原位，让排列更稳定。即使中途有些错位了，只要再擦一遍，它们又能自动归队。
这种“自我排队”的能力，让聚合物微珠首次被成功应用到摩擦电纳米发电机中。该研究将两层聚合物微(wēi)珠(zhū)贴(tiē)在(zài)一(yī)起(qǐ)，轻(qīng)轻(qīng)一(yī)摩(mó)擦(cā)，就(jiù)能(néng)发(fā)电(diàn)。实(shí)验(yàn)结(jié)果(guǒ)发(fā)现(xiàn)，无(wú)论(lùn)是(shì)MF微(wēi)珠(zhū)，还(hái)是(shì)PMMA、PS微(wēi)珠(zhū)，大(dà)微(wēi)珠(zhū)总(zǒng)是(shì)带(dài)负(fù)电(diàn)，而(ér)小(xiǎo)微(wēi)珠(zhū)则(zé)在(zài)与(yǔ)同(tóng)类(lèi)材(cái)料(liào)接(jiē)触后带正电——这其实与表面积有关：颗粒越大，接触面积越大，电荷交换也就越多。而MF微珠更是“抢电狂魔”！它不仅硬度高（杨氏模量高达6GPa），还超亲水，特别容易吸电子，所以无论搭配PMMA还是PS，摩擦后都稳稳带正电，发电表现爆表。更惊奇的是，当MF微珠与大颗粒混搭使用时，表面电荷竟然翻倍！就像大齿轮配小齿轮，协同作战、发电更高效。该研究不仅(jǐn)揭(jiē)示(shì)了(le)微(wēi)米(mǐ)颗(kē)粒(lì)的(de)带(dài)电(diàn)规(guī)律(lǜ)，还(hái)提(tí)供(gōng)了(le)一(yī)种(zhǒng)稳(wěn)定(dìng)、高(gāo)效(xiào)的(de)微(wēi)珠(zhū)电(diàn)极(jí)设(shè)计(jì)策(cè)略(è)。
最(zuì)后(hòu)，为(wèi)了(le)验(yàn)证(zhèng)微(wēi)珠(zhū)TENG的(de)稳(wěn)定(dìng)性(xìng)，研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)测试了一个由3μm PMMA 和 0.5μm MF微珠组成的TENG装置，反复垂直分离摩擦了10,000次，结果电流几乎没变，非常稳定！在电子显微镜下，PMMA微珠只是起了点小皱纹，MF几乎毫发无损，展现了卓越的耐用性，堪称抗造天花板。稳定的关键性秘诀在于三个方面：第一(yī)，微(wēi)珠(zhū)的(de)“抱(bào)团(tuán)合作”分担压力，避免了磨损的集中；第二，氟碳涂层大幅减少了摩擦损耗，保护了微珠的完整性；第三，微珠具备自修复能力，轻微磨损时会自动调整位置填补空缺，再轻轻摩擦一次即可恢复排列，实现“边用边修”。 这一技术的突破不仅让摩擦电纳米发电机在实际应用中的耐久性大大提升，也为打造低维护、长寿命的自供电设备铺平了道路。未来，我们离“用摩擦点亮世界”的目标，又近了一步！
摩擦电纳米发电机到底有什么用？要把它变成电子设备的免费供电站还需要解决那些问题呢？
目前已有研究将TENG用于智能手环中收集手腕运动能量，供低功耗设备使用；在可穿戴血氧监测中，实现了贴合皮肤的自供电健康监测；还有用于无线肺量计和坐姿矫正衣的设计，也证明TENG在便携式健康设备中具备实际应用潜力。本研究将MF微珠作为TENG的“发电核心”，凭借其卓越的硬度、稳定性以及自修复能力，有望在不久的将来成为推动这项技术从实验室走向实际应用的关键技术之一。
想象一下，未来的智能手表、耳机(jī)，甚(shén)至(zhì)医(yī)疗(liáo)贴(tiē)片(piàn)，可(kě)能(néng)通(tōng)过(guò)你(nǐ)走(zǒu)路、跑(pǎo)步(bù)或(huò)简(jiǎn)单(dān)的(de)手(shǒu)部(bù)动(dòng)作(zuò)来(lái)实(shí)现(xiàn)自(zì)供(gōng)电(diàn)，减(jiǎn)少(shǎo)对(duì)外(wài)部(bù)电(diàn)源(yuán)的(de)依(yī)赖(lài)。然(rán)而(ér)，要(yào)让(ràng)摩(mó)擦(cā)电(diàn)纳(nà)米(mǐ)发(fā)电(diàn)机(jī)真(zhēn)正(zhèng)成(chéng)为电子设备的“自给电源”，我们仍需解决一系列技术挑战。比如，如何提升输出功率以满足更多设备的需求(qiú)；如(rú)何(hé)提(tí)高(gāo)材(cái)料(liào)的(de)耐(nài)久(jiǔ)性(xìng)和(hé)发(fā)电(diàn)稳(wěn)定(dìng)性(xìng)；以(yǐ)及(jí)如(rú)何实现大规模、低成本制造等。正如这项新研究所展现的那样，科学家们正在不断探索并取得进展，或许在不久的将来，摩擦电技术将成为通往“自供电时代”的重要一步。
本文为·创作培育计划扶持作品
作者：朱星 日产汽车电池工程师
审核：霍群海 中国科学院电工研究所 研究员
出品：中国科协科普部
监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司
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