可拉伸摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）是一種用于各種柔性電子設(shè)備的電源供應(yīng)的有效方法。然而，彈性摩擦電材料的具體起電機(jī)理仍不清晰。本文發(fā)現(xiàn)應(yīng)變和低溫誘導(dǎo)的結(jié)晶行為會(huì)導(dǎo)致常用摩擦電彈性體的摩擦電序列發(fā)生變化，甚至摩擦電極性發(fā)生逆轉(zhuǎn)，研究將這種效應(yīng)歸因于分子鏈結(jié)晶過程中表面電子云密度的重排。這項(xiàng)研究表明，在不同應(yīng)變和不同溫度下，摩擦電材料的帶電極性應(yīng)該被重新測量，提供了一種不同于往常對(duì)彈性摩擦電材料的理解機(jī)制。
近期，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士和陳翔宇研究員團(tuán)隊(duì)通過研究天然橡膠（NR）、聚丙烯酸酯（VHB）和硅橡膠（Ecoflex）在拉伸狀態(tài)下的起電情況，總結(jié)了結(jié)晶對(duì)于起電性能的影響。首先通過測量接觸界面上的飽和電荷密度發(fā)現(xiàn)，三種彈性體在拉伸過程中表現(xiàn)出完全不同的變化趨勢。在與FEP接觸的過程中，NR的電荷密度隨著應(yīng)變的增加而顯著降低，而與尼龍接觸時(shí)，飽和電荷密度則隨著拉伸逐漸增加，這證明天然橡膠在摩擦起電中的位置向更負(fù)的位置移動(dòng)了，而在Ecoflex和VHB薄膜中無法觀察到類似的效果。隨后通過測量同種薄膜自身拉伸前與拉伸后接觸起電的情況，判斷NR在摩擦電序列中的位置確實(shí)發(fā)生了變化。為了保證測量的準(zhǔn)確性，每組都進(jìn)行了十次以上的重復(fù)，并且所有的薄膜都在測試前放入真空干燥箱在70℃的條件下干燥3小時(shí)，然后再進(jìn)行拉伸操作。
圖1：NR，Ecoflex和VHB拉伸前后的接觸起電性能
圖2：NR拉伸前后摩擦電序列移動(dòng)原理
對(duì)于在常溫下拉伸并不能改變起電性能的硅橡膠來說，低溫下Ecoflex分子鏈的運(yùn)動(dòng)能力降低，更容易發(fā)生結(jié)晶效應(yīng)。因此，在-50?C的溫度條件下來研究Ecoflex的接觸帶電能力。Ecoflex在-50?C和20?C下與不同材料接觸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在低溫下，Ecoflex和尼龍的飽和電荷密度降低，而Ecoflex和FEP的飽和電荷密度增加，表明結(jié)晶后的Ecoflex在摩擦電序列上的位置向正方向移動(dòng)。此外，當(dāng)對(duì)Ecoflex薄膜施加應(yīng)變時(shí)，在摩擦電序列中的這種變化更為明顯，這證明拉伸和低溫都能促進(jìn)Ecoflex薄膜的結(jié)晶。紅外光譜結(jié)果顯示，隨著溫度的降低，Si-O在1097cm-1處的拉伸振動(dòng)峰逐漸增強(qiáng)；DFT計(jì)算結(jié)果顯示，在整個(gè)分子中，O原子是靜電勢的最低點(diǎn)。由此證明分子鏈在低溫下的結(jié)晶導(dǎo)致更多的Si-O鍵在表面區(qū)域累積，進(jìn)而導(dǎo)致Ecoflex在摩擦電序列中的正向移動(dòng)。而在以前的研究中忽略了不同應(yīng)變和溫度下極性的變化，所以基于本研究也提出了一種改進(jìn)的方法來評(píng)估彈性摩擦材料的方法。
在這項(xiàng)工作中，研究了三種常見的彈性體在不同應(yīng)變下的摩擦帶電性能。結(jié)果表明，除了有效接觸面積的變化外，應(yīng)變和溫度變化引起的結(jié)晶也會(huì)引起摩擦電系的位移。應(yīng)變誘導(dǎo)的分子鏈結(jié)晶可以在分子取向上產(chǎn)生顯著而有序的變化，從而導(dǎo)致在摩擦電序列中的位置移動(dòng)甚至產(chǎn)生極性反轉(zhuǎn)。根據(jù)表面電子云密度可以很好地解釋這種效應(yīng)，分子取向的變化導(dǎo)致表面官能團(tuán)的重排，從而導(dǎo)致表面電子云密度的變化，最終改變材料在摩擦電序列中的極性，并且低溫條件下這種影響更是不可忽略，這對(duì)低溫TENG的研究具有很好的指導(dǎo)意義，對(duì)于超低溫下自驅(qū)動(dòng)設(shè)備的研究有著重要在意義。本研究有助于闡明彈性體的分子空間取向?qū)ζ浜暧^電學(xué)性能的貢獻(xiàn)，從而進(jìn)一步推動(dòng)可拉伸TENG作為可穿戴電子設(shè)備能量采集器或有源傳感器的研究。文章發(fā)表在《Nano Letters》上，第一作者是北京納米能源與系統(tǒng)研究所博士生劉兆琦，王中林院士和陳翔宇研究員是共同通訊作者。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c00767
