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  接觸起電是生活中最為常見(jiàn)的物理現(xiàn)象之一。一方面，接觸起電在能源收集、顆粒分離、化學(xué)合成等領(lǐng)域有著重要的作用，但另一方面，接觸起電也可能造成一些令人不愉快的感受，甚至嚴(yán)重的災(zāi)難。比如在冬天，當(dāng)我們用手接觸金屬門(mén)把時(shí)，可能會(huì)有電擊感。這種電擊感是由接觸起電產(chǎn)生的靜電荷持續(xù)積累引發(fā)的放電造成的。這種放電如果發(fā)生在充滿粉塵的工廠或者有易燃?xì)怏w的空間，則極易引發(fā)爆炸。因此，在這些應(yīng)用場(chǎng)景下，使用抗靜電材料或者表面，具有非常重要的作用。

  現(xiàn)有的抗靜電策略主要包括兩種，第一種是提高材料的靜電荷擴(kuò)散速率以避免過(guò)量的電荷積累，例如對(duì)材料摻雜高導(dǎo)電性填料、自由基清除分子或進(jìn)行表面親水修飾。這種策略在一定程度是有效的，但是并不能從根源上避免靜電荷的產(chǎn)生。另外一種抗靜電策略是避免電荷的產(chǎn)生，一般通過(guò)化學(xué)改性來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如通過(guò)共聚兩種具有相反摩擦帶電極性能力的單體，得到的共聚物可以避免在摩擦中產(chǎn)生靜電荷。然而，這種本體改性的共聚方法限制了材料的選擇，不具有廣泛適用性。考慮到接觸起電是一種界面現(xiàn)象，因此僅通過(guò)表面的化學(xué)改性也可以實(shí)現(xiàn)抗靜電�，F(xiàn)有的抗靜電表面主要是通過(guò)圖案化的涂層改性，一般包含兩種區(qū)域。在摩擦?xí)r，兩種區(qū)域分別產(chǎn)生正電荷以及負(fù)電荷。通過(guò)控制這兩種區(qū)域的大小及比例，可以獲得總量相等的正負(fù)電荷，從而實(shí)現(xiàn)整體電荷為零的效果。由于這兩種區(qū)域的化學(xué)成分和電荷極性不同，我們稱這種表面為化學(xué)異相且靜電異相的抗靜電表面。然而，這種依賴于電荷中和的抗靜電表面需求精確的區(qū)域控制，極大地增加了制備的成本及困難性。

  近日，香港城市大學(xué)機(jī)械工程系王鉆開(kāi)教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種可以完全避免電荷產(chǎn)生的抗靜電策略。通過(guò)簡(jiǎn)單的表面工程方式 （例如浸涂），將具有強(qiáng)供電子和受電子功能的化學(xué)組分，即N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷 (APTS) 和1H，1H，2H，2H-全氟辛基三甲氧基硅烷 (FOTS)，鍵合在材料表面形成自主裝單分子層 （圖1）。盡管這兩種分子分別具有強(qiáng)的產(chǎn)生正電荷及負(fù)電荷的能力，但是當(dāng)他們混合起來(lái)形成的表面則不會(huì)同時(shí)產(chǎn)生正負(fù)電荷。這是因?yàn)橐粋�(gè)電荷的面積是一個(gè)分子所占據(jù)表面的幾千倍，所以產(chǎn)生一個(gè)電荷需要同時(shí)摩擦幾千個(gè)分子占據(jù)的區(qū)域，他們稱一個(gè)電荷所占據(jù)的區(qū)域?yàn)殪o電塊 （electrostatic patch）。由于這兩種分子在表面是均勻分布的，因此可以認(rèn)為每個(gè)靜電塊的成分是相同的，所以在摩擦中，整個(gè)表面是靜電同相的。這種靜電同相的特性保證了整個(gè)樣品的每一點(diǎn)的表面電勢(shì)是相同的，所以可以通過(guò)調(diào)整兩種組分的比例去調(diào)整涂層表面的表面電勢(shì)。當(dāng)涂層表面電勢(shì)與其所摩擦的表面的表面電勢(shì)相同時(shí)，接觸起電可以被完全避免 （如圖2）。

圖1. 抗靜電涂層的成分 （FOTS 和APTS），靜電塊 （electrostatic patch）示意圖及抗靜電與無(wú)修飾的表面的靜電吸附力比較。

圖2. 抗靜電機(jī)理。不同于傳統(tǒng)的依賴于正負(fù)電中和的抗靜電表面，文中報(bào)道的抗靜電涂層是通過(guò)改變兩個(gè)組分（FOTS 和APTS）的比例調(diào)控表面電勢(shì)，從而達(dá)到控制在接觸起電中電子轉(zhuǎn)移的目的。在接觸起電中，F(xiàn)OTS容易得到電子而帶負(fù)電，APTS容易失去電子而獲得正電。但是當(dāng)接觸的兩個(gè)表面的表面電勢(shì)相同時(shí)，電子將不再發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而避免了靜電荷的產(chǎn)生。正如不同比例下的電荷密度圖所示，在合適的比例，電荷密度為0，即接觸起電的完全避免。

  此外，傳統(tǒng)的依賴正負(fù)電荷中和的靜電異相抗靜電涂層需要圖案化區(qū)域，不僅增加了制備成本，也極大地限制了接觸區(qū)域的選擇。如圖3所示，如果這種涂層被裁切到不同比例，或者只被摩擦表面的一部分，抗靜電效果可能消失。相反地，文中報(bào)道的的靜電同相表面即使被裁切至各種尺寸，也可以保持它的抗靜電特性。此外，這種靜電塊形成抗靜電涂層僅僅通過(guò)浸泡的方式就可以獲得，消除了所需構(gòu)筑表面形狀的限制外，所使用的化學(xué)組分的特性使得涂層可以在更廣泛的基底上制備，而且具有良好的可重寫(xiě)性和透明度。

圖3. 傳統(tǒng)的抗靜電表面與文中報(bào)道的抗靜電表面比較。傳統(tǒng)的靜電異相表面依賴于等量的正負(fù)電荷的中和，如果樣品按照?qǐng)D中虛線被裁開(kāi)則失效。文中報(bào)道的靜電同相表面，無(wú)論被裁切到什么比例，表面電荷密度都不受影響。

  原文鏈接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30573-7