美国科学家开发出透明的柔性摩擦电发电机

据物理学家组织网7月10日报道，由美国佐治亚理工学院的科学家领导的一个研究小组称，他们日前开发出了一种透明的柔性摩擦电发电机。这种微型发电机能将散步这样的机械能转化为电，能“感觉”到一根羽毛飘落下来产生的压力，能用来制造自供电的触摸屏，在电子产品、环境监测以及医疗设备制造等领域具有巨大的应用潜力。

摩擦电是自然界中最常见的一种现象之一，无论是梳头、穿衣还是走路、开车都能遇到。但同时它们又很难被收集和利用，因此也往往被人视而不见。在新研究中，由美国佐治亚理工学院教授王中林领导的研究小组，借助柔性高分子聚合物材料成功地将摩擦转化成为了可供使用的电力。

这种摩擦电发电机依靠摩擦点电势的充电泵效应，通过聚酯纤维薄片与聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄片的摩擦来产生电力。借助一种分离技术，当摩擦发生时，两层聚合物薄膜之间产生电荷分离并形成电势差，经由外部电路即可形成电流。在摩擦中，聚酯纤维产生电子，聚二甲基硅氧烷则负责接收电子。此外，外部的按压产生的机械形变也能使它们发生摩擦产生电力。

虽说光滑的表面在相互摩擦时也能产生电荷，但这些电荷的数量并不能满足应用的需要。于是王中林和他的团队通过改变摩擦表面图案的方式来产生更大的电流。研究人员分别对线条、立方体和金字塔三种图案进行了测试，结果发现金字塔图案的表面在摩擦时加速了电荷的形成，更利于电荷的分离，能产生最多的电流，极大地提高摩擦电发电机的效率。

为了制造这种微型摩擦电发电机，研究人员首先借助光刻和蚀刻工艺，用硅片制造出一个模具；而后将液体的PDMS和一种交联剂混合在一起后涂抹到模具上，等待冷却后就形成了一张薄膜；最后再将两种独有金属电极的高分子聚合物薄膜铟锡氧化物（ITO）与聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜贴合在一起，形成三明治结构。实验证实这种具有微结构阵列的摩擦电发电机的输出电压可达18伏，每平方厘米可产生0.13微安的电流，峰值电流可达0.7微安。

由于这种摩擦电发电机采用透明的柔性材料制造，未来它将有望取代目前普遍使用的触摸显示装置。此外，该摩擦电发电机还可以用作高灵敏度压力传感器。研究人员称，这种压力传感器非常敏感，即便是落下的水滴或是飘落的羽毛这样的微小压力也会被准确地“感觉”到，该装置有望在有机电子材料和光电系统中获得应用。

研究人员称，这种微型发电机制造工艺简单，成本低廉，能很方便地进行大规模生产的应用。同时它还具有极好的耐久性和可加工性，可轻松融入其他产品的设计当中。

王中林说：“摩擦无处不在，这赋予了摩擦电发电机广泛的应用前景。但它并不会将我们之前发明的氧化锌纳米发电机取而代之，它们各有优势，在很多方面能并存且相互补充。”

这项研究由美国国家科学基金会、美国能源部和美国空军赞助。相关论文发表在6月出版的《纳米快报》杂志上。