人造闪电
分类:信息科学

摩擦起电是生活中常见的科学现象,比如梳头时头发会被梳子“粘”起来;而由摩擦引起的静电放电现象也是为人所熟知的,比如夏天暴雨时的雷鸣电闪和冬天脱毛衣时的轻微“噼啪”声。近年来,摩擦现象被广泛用于采集能量,由此制备了大量用于自供能系统、主动式传感等领域的摩擦发电机。然而,作为极大影响摩擦发电机稳定性和安全性的静电放电现象却一直被忽视。

“人造闪电” 可驱动产生微等离子体

近日,北京大学信息科学技术学院微纳电子学研究院张海霞教授课题组博士研究生苏宗明提出一种非对称的摩擦结构,对摩擦发电机中的放电现象展开了系统的研究和分析。研究首次把静电放电和摩擦发电结合起来,通过非对称结构实现了摩擦诱导的静电放电,并通过光电探测器验证了静电放电的产生;还结合有限元仿真工具细致分析了不同的影响因素,并提出避免静电放电的三个重要措施。该研究成果以《具有直接可控静电放电性能的非对称摩擦纳米发电机》为题,2016年5月底在线发表于材料科学领域重要期刊《先进功能材料》上。不同于其他影响因素,摩擦诱导放电改变了摩擦材料的表面电荷量,从而极大影响摩擦发电机的输出稳定性。文中所提出的避免放电的方法对此有极大的改善。与此同时,由于摩擦起电和静电放电在基本物理机理上还存在许多争论,文中也提出了一种能够连续产生摩擦起电和静电放电的装置,提供了全新的研究方式。

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该项研究工作得到国家自然科学基金、国家高技术研究发展计划、北京市科技计划和北京市自然科学基金等支持,在摩擦诱导静电放电等研究中取得了重要突破。

a:摩擦纳米发电机直接驱动微等离子体射流示意图

b:摩擦电微等离子体与人体皮肤接触

作为物质的第四态,等离子体在核聚变、生物医学、航空航天等领域均有重要应用,如加强灭菌效果、改变材料表面特性等。但目前,通常的等离子体产生方法(如利用压电材料、太阳能),则受限于电源、储能装置等,较难实现轻量化、移动化。

不过,华人科学家的一项研究或可打破上述的诸多限制。该研究由中国科学院外籍院士、美国佐治亚理工学院教授王中林领衔,其团队提出摩擦电微等离子体的概念,在大气环境下,通过摩擦纳米发电机直接收集机械运动产生的微等离子体(≤1mm的等离子体)。相关研究结果近日发表于《自然—通讯》。

“类似于利用自然界闪电放电的原理,产生并收集等离子体。”论文第一作者之一、清华大学机械系副研究员程嘉向《中国科学报》记者解释道,闪电是由于云层内冰晶间相互摩擦产生高压电场,击穿空气形成瞬间放电,“我们的方法,就是利用摩擦起电效应,使TENG持续输出高电压,用于远程建立高压电场击穿气体,生成等离子体。”

澳门新葡8455最新网站,“人造闪电”这一想法来自于两个不同领域的碰撞。2017年,该团队在一次学术讨论中提出,TENG具有高电压输出的特性,而激发产生等离子体恰好需要高压电场。于是他们大胆设想,何不将二者结合起来,利用摩擦发电机直出高电压的特性,依靠机械能驱动产生等离子体放电,从而实现一种便携、自驱动的等离子体发生装置。

值得一提的是,国内外此前并没有利用TENG驱动产生等离子体的相关研究。

于是,研究人员将等离子体与TENG结合起来,利用TENG直接驱动四种典型的等离子体放电模式:介质阻挡放电、大气压非平衡态等离子体射流、电晕放电和微火花放电,实现机械驱动产生微等离子体。

程嘉表示,这四种等离子放电模式证明了TENG可以直接驱动等离子体放电,而不需要任何电源、变压器或复杂管理电路。并且,通过简单改变TENG、等离子体放电器件、调整升压电路,可以轻易地实现或变换多种等离子体放电模式,控制其放电性能。

大连理工大学教授王友年表示:“传统的放电模式是采用电源放电,而此项研究则是采用摩擦起电产生电荷,将高电压‘引’出来,进行放电。”由于气体放电产生的等离子体是发光的,因此,肉眼就可以直观地感受到效果。此外,此研究能够实现摩擦起电产生等离子体,并能控制放电的稳定性、监测放电信号,这是一大亮点。

而对于“机械驱动产生微等离子体”的应用前景,中国科学院院士、清华大学教授雒建斌认为,这项研究本身是一个非常有创意的工作,但如果能大幅度提高或改善TENG摩擦的频率、产生电压的强度等问题,那么,该方法可能对等离子体的发展提供一种新可能,“不过真正到规模化应用还有很长一段路要走”。

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