自2012年以來，摩擦電納米發電機（TENG）由於其普遍適用性強，成本低，效率高逐漸成為機械能量收集和分佈式微能源領域的主流技術。TENG的發展可以服務於物聯網的信息採集技術、智能監控系統以及靜電驅動、靜電除塵等高電壓應用領域。
TENGs中的摩擦起電材料是決定其性能的核心要素，而探尋一種高效且長期穩定的改性材料的方法是目前必須要克服的困難。針對這一問題，北京納米能源所的陳翔宇研究員與北京大學物理學院的付恩剛教授合作，提出了一種通過低能高密度氦離子的輻照來操縱聚合物的摩擦電錶面電荷密度的實驗方法。近期，他們在Energy & Environmental Science 上發表了題為 “Manipulating the triboelectric surface charge density of polymers by low-energy Helium ion irradiation/implantation”的論文。
論文鏈接
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/c9ee03307f/unauth#!divAbstract
在這項研究中，利用離子輻照的方法，基於其有可控照射面積、可調節照射劑量和可均勻輻照等特性，通過核能損失和電子能損失來改變材料的分子結構。高速的輻射離子可以剪切聚合物材料的化學鍵，舊化學鍵斷裂而產生的大量自由基與運動離子結合，重新排列的形成了新的化學鍵和新的官能團，從而改變材料的起電性能。通過大量實驗的篩選，找到合適的輻照計量和能量大小，可以從分子水平上直接控制和改變針對摩擦起電的聚合物官能團，進而永久的改變材料的起電特性。
選擇低能量的離子輻射,對目標聚合物的表面粗糙度和機械柔韌性的影響可忽略不計，同時可以永久的改變材料的起電性能，是一種全新的方法。研究團隊對離子輻照引起的四種不同聚合物的化學結構變化進行了系統的分析，包括衰減全反射傅立葉變換紅外光譜（ATR-FTIR）的測量，分子動力學模擬等，這有助於我們更好地理解在分子水平上的摩擦起電過程。在實驗的四種材料中，通過離子輻照改性的聚酰亞胺（Kapton）薄膜可以在其表面生成一種具有共軛效應的強失電子官能團，而未處理的聚酰亞胺通常是得電子型的摩擦起電材料。
因此，其起電性能有了反轉性的改變，同時這種材料也在TENG器件中表現出一些前所未有的特性，例如高的表面電荷密度（332 μC/ m-2），出色的穩定性和超強的給電子能力，這使其在與幾乎所有以前報道過的材料接觸起電過程都是失去電子，例如尼龍，碳薄片，食品級耐油丁腈橡膠等。原子力顯微掃描的表徵證明了輻照之後的聚酰亞胺表面形貌和機械特性都沒有發生大的變化，因此化學官能團的改變才是其性能改變的根源。具體實驗過程和相關數據如圖1所示。
圖1 由於產生電子給體基團，通過離子輻射對聚合物進行改性提高了有效電荷密度。
這個研究工作，通過在分子尺度上對起電材料的特殊官能團進行特定設計進而改善宏觀的起電性能。該工作可以從化學的基礎層面上促進了TENG的研究，為起電材料的發展帶來了突破性進展。基於這個新的界面調控方法，我們預期在之後多種特性的摩擦起電材料的合成與設計工作中會有一系列的突破，可以為聚合物摩擦起電材料的起電機理研究提供另一種實驗途徑。
此外，本次研究得到的超正的起電材料由於其具有良好的柔性以及絕緣性也都決定了它可以應用在TENG器件以及微納發電機。另一方面，以前高分子的輻照研究也有很多，但他們大多集中在輻射引起表面形貌和機械性能變化上，未有針對起電性能的研究。輻射誘導的自由基和化學鍵來增加接觸帶電的表面狀態，改變聚合物分子的電子結合能從而改變其電學性能，
這種官能團調控機理也為傳統的離子輻照技術開闢了新的應用，可以預期未來會出現很多人工調控的具有不同性能的高分子材料出現，都為傳統的應用指明瞭新的應用方向。 (來源：中科院北京納米能源與系統所)閱讀更多 材料material 的文章
