导读
据美国加州大学洛杉矶分校官网近日报道，该校研究人员设计出一款可利用降雪发电的新型柔性设备。
背景
摩擦起电，是我们日常生活中常见的一种物理现象。两个不同物体相互摩擦后，一个带正电，另一个带负电。大部分的日常静电现象都是由摩擦引起的，例如在干燥的秋冬季节，晚上我们脱毛衣时会发现一些小火花，并伴有“啪啪”的响声。
长期以来，静电的负面作用被广泛地宣传和提防，而其正面作用往往被忽略。原因主要是，虽然摩擦起电现象非常普遍，几乎随时随地都能产生，但是却很难被收集和利用。
但是，一种新型设备有望改变上述状况，它就是：摩擦电纳米发电机（TENG）。在其内部电路中，由于摩擦电效应，在两个摩擦电极性不同的材料薄层之间，电荷会发生转移，在二者之间形成电势差；在其外部电路中，电子在电势差的驱动下，在粘贴于摩擦电材料层背面的两个电极之间，或者电极与地之间流动，来平衡这个电势差。
超轻、菱形剪纸式样的摩擦电纳米发电机（图片来源：美国化学会）
集成摩擦电纳米发电机的小型金属标签贴在手指上（图片来源：《纳米能源》）
集成摩擦电纳米发电机和微型电化学电容的设备（图片来源：KAUST）
未来，摩擦电纳米发电机将有着广泛的用途，比如利用人体运动的能量为可穿戴设备、智能硬件、便携式医疗电子器件等产品供电，让我们无需再为电池电量耗尽或者找不到充电器而发愁。例如，在鞋子中安装摩擦电发电机，我们就可以通过正常行走，为自己随身携带的手机充电。
创新
今天，笔者要再为大家介绍一项有关摩擦电纳米发电机的创新成果。
近日，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究人员以及同事们设计出一款可利用降雪发电的新设备。首开先河，该设备便宜、小、薄且像塑料片一样具有柔性。
UCLA 材料创新奖得主、相关论文高级作者理查德·卡纳尔（Richard Kaner）表示：“该设备可工作在偏远地区，因为它是自供电的，无需电池。这是一个非常聪明的设备，它可以作为一个气象站，告诉你降雪量、降雪的方向、风向和风速。”
研究人员称之为“雪基摩擦电纳米发电机”或者简称为“雪TENG”。摩擦电纳米发电机，可以通过静电产生电荷，从电子交换中产生能量。有关该设备的研究成果发表在《纳米能源（Nano Energy）》期刊上。
技术
卡纳尔，也是UCLA化学与生物化学系、材料科学与工程系的杰出教授、加利福尼亚纳米系统研究所的成员。他说：“一种材料获得电子，另一种材料失去电子，两种材料之间的相互作用就产生了静电。你分开这些电荷，就可以从无到有地创造出电力。”
雪，带正电，失去电子。硅树脂，一种由硅原子、氧原子以及碳原子、氢原子以及其他元素组成的，类似橡胶的合成材料，带负电。当降雪与硅树脂表面接触时，就会产生一个电荷。该设备会获取这个电荷来发电。
UCLA 化学与生物化学系博士后研究员、论文合著者马厄·卡迪（Maher El-Kady）表示：“雪已经是带电的，所以我们思考，为什么不采用另一种带负电的材料获得电荷发电？“
他补充道：“因为雪会失去电子，所以设备的性能取决于其他材料获得这些电子的效率。在测试大量材料，包括铝箔和特氟龙之后，我们发现硅树脂比其他材料产生的电荷更多。“
研究团队采用3D打印技术设计了该设备。它具有一层硅树脂和一个电极，以捕捉电荷。团队相信，该设备可低成本制造，因为卡纳尔表示：“制造工艺简单且硅树脂容易获取。”硅树脂在工业中广泛使用，例如在润滑剂、电线绝缘和生物医学植入物等产品中。现在，它有望应用于能量采集。
价值
每年冬天，地球表面大约有30%的区域覆盖着雪。马厄·卡迪指出，在此期间，太阳能面板经常无法工作。雪的累积，减少了可以到达太阳能阵列的光线量，限制了面板的功率输出，致使它们的效率降低。这种新型设备可集成到太阳能面板中，在下雪时提供持续的电力供应。
卡纳尔表示，该设备可用于监测冬季运动，例如滑雪，更精准地评估和改善运动员在奔跑、行走和跳跃时的表现。它也有望用于识别越野滑雪中使用的主要运动型式，而智能手表是无法检测到这些运动型式的。
粘贴着该设备的鞋子（图片来源：Abdelsalam Ahmed）
它将开创新一代的“自供电”可穿戴设备，这些设备将可以追踪运动员以及他们的表现。它也可以发出表示一个人运动与否的信号，并判断出一个人是在行走、运动、跳跃或是行进。
关键字
摩擦电纳米发电机、自供电、可穿戴技术
【1】Abdelsalam Ahmed, Islam Hassan, Islam M. Mosa, Esraa Elsanadidy, Gayatri S. Phadke, Maher F. El-Kady, James F. Rusling, Ponnambalam Ravi Selvaganapathy, Richard B. Kaner. All printable snow-based triboelectric nanogenerator. Nano Energy, 2019; 60: 17 DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.03.032
【2】http://newsroom.ucla.edu/releases/best-in-snow-new-scientific-device-creates-electricity-from-snowfall
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