導讀
據美國加州大學洛杉磯分校官網近日報道，該校研究人員設計出一款可利用降雪發電的新型柔性設備。
背景
摩擦起電，是我們日常生活中常見的一種物理現象。兩個不同物體相互摩擦後，一個帶正電，另一個帶負電。大部分的日常靜電現象都是由摩擦引起的，例如在乾燥的秋冬季節，晚上我們脫毛衣時會發現一些小火花，並伴有“啪啪”的響聲。
長期以來，靜電的負面作用被廣泛地宣傳和提防，而其正面作用往往被忽略。原因主要是，雖然摩擦起電現象非常普遍，幾乎隨時隨地都能產生，但是卻很難被收集和利用。
但是，一種新型設備有望改變上述狀況，它就是：摩擦電納米發電機（TENG）。在其內部電路中，由於摩擦電效應，在兩個摩擦電極性不同的材料薄層之間，電荷會發生轉移，在二者之間形成電勢差；在其外部電路中，電子在電勢差的驅動下，在粘貼於摩擦電材料層背面的兩個電極之間，或者電極與地之間流動，來平衡這個電勢差。
超輕、菱形剪紙式樣的摩擦電納米發電機（圖片來源：美國化學會）
集成摩擦電納米發電機的小型金屬標籤貼在手指上（圖片來源：《納米能源》）
集成摩擦電納米發電機和微型電化學電容的設備（圖片來源：KAUST）
未來，摩擦電納米發電機將有著廣泛的用途，比如利用人體運動的能量為可穿戴設備、智能硬件、便攜式醫療電子器件等產品供電，讓我們無需再為電池電量耗盡或者找不到充電器而發愁。例如，在鞋子中安裝摩擦電發電機，我們就可以通過正常行走，為自己隨身攜帶的手機充電。
創新
今天，筆者要再為大家介紹一項有關摩擦電納米發電機的創新成果。
近日，美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）的研究人員以及同事們設計出一款可利用降雪發電的新設備。首開先河，該設備便宜、小、薄且像塑料片一樣具有柔性。
UCLA 材料創新獎得主、相關論文高級作者理查德·卡納爾（Richard Kaner）表示：“該設備可工作在偏遠地區，因為它是自供電的，無需電池。這是一個非常聰明的設備，它可以作為一個氣象站，告訴你降雪量、降雪的方向、風向和風速。”
研究人員稱之為“雪基摩擦電納米發電機”或者簡稱為“雪TENG”。摩擦電納米發電機，可以通過靜電產生電荷，從電子交換中產生能量。有關該設備的研究成果發表在《納米能源（Nano Energy）》期刊上。
技術
卡納爾，也是UCLA化學與生物化學系、材料科學與工程系的傑出教授、加利福尼亞納米系統研究所的成員。他說：“一種材料獲得電子，另一種材料失去電子，兩種材料之間的相互作用就產生了靜電。你分開這些電荷，就可以從無到有地創造出電力。”
雪，帶正電，失去電子。硅樹脂，一種由硅原子、氧原子以及碳原子、氫原子以及其他元素組成的，類似橡膠的合成材料，帶負電。當降雪與硅樹脂表面接觸時，就會產生一個電荷。該設備會獲取這個電荷來發電。
UCLA 化學與生物化學系博士後研究員、論文合著者馬厄·卡迪（Maher El-Kady）表示：“雪已經是帶電的，所以我們思考，為什麼不採用另一種帶負電的材料獲得電荷發電？“
他補充道：“因為雪會失去電子，所以設備的性能取決於其他材料獲得這些電子的效率。在測試大量材料，包括鋁箔和特氟龍之後，我們發現硅樹脂比其他材料產生的電荷更多。“
研究團隊採用3D打印技術設計了該設備。它具有一層硅樹脂和一個電極，以捕捉電荷。團隊相信，該設備可低成本製造，因為卡納爾表示：“製造工藝簡單且硅樹脂容易獲取。”硅樹脂在工業中廣泛使用，例如在潤滑劑、電線絕緣和生物醫學植入物等產品中。現在，它有望應用於能量採集。
價值
每年冬天，地球表面大約有30%的區域覆蓋著雪。馬厄·卡迪指出，在此期間，太陽能面板經常無法工作。雪的累積，減少了可以到達太陽能陣列的光線量，限制了面板的功率輸出，致使它們的效率降低。這種新型設備可集成到太陽能面板中，在下雪時提供持續的電力供應。
卡納爾表示，該設備可用於監測冬季運動，例如滑雪，更精準地評估和改善運動員在奔跑、行走和跳躍時的表現。它也有望用於識別越野滑雪中使用的主要運動型式，而智能手錶是無法檢測到這些運動型式的。
粘貼著該設備的鞋子（圖片來源：Abdelsalam Ahmed）
它將開創新一代的“自供電”可穿戴設備，這些設備將可以追蹤運動員以及他們的表現。它也可以發出表示一個人運動與否的信號，並判斷出一個人是在行走、運動、跳躍或是行進。
關鍵字
摩擦電納米發電機、自供電、可穿戴技術
【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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