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“頂刊精讀”專欄。稿件主要面向近期的Nature, Science及其子刊。我們希望能夠深入理解這些高質量的論文，把其中蘊含的研究方法/技巧，實驗設計理念和構思方法等展示給大家。今天為大家帶來的是王中林院士團隊發表在Nat. Commun.上的一篇文章。
1.引言：基於液體與液體界面接觸分離實現能量收集的研究匱乏
自2012年王中林課題組發明了摩擦納米發電機以來，摩擦發電技術逐漸成為一種微納能源收集的主流技術。目前，基於固體與固體，固體與液體界面摩擦起電的報道已經有很多，但是基於液體與液體界面接觸分離實現能量收集的研究卻少有報道。那麼我們有什麼辦法可以突破液-液界面接觸發電的難題，從而將摩擦納米發電機的應用拓展到液-液界面呢？本文將對王中林院士和陳翔宇研究員領導的研究團隊2019年在Nature Communications發表的文章進行解讀，和大家一起學習液體與液體接觸起電的實現方法。
2.問題：液液接觸為何難以發電？——液體分離問題
液體與液體之間流暢的接觸與分離，由於液體的流動性導致液體很容易融合而很難分離；在摩擦發電機中，固體間接觸分離後兩個界面帶相反的電荷，而液體與液體分離後的界面卻與上述情況不同，這將影響
電荷的連續輸出。
3.論文的思路
A. 設計一種高彈性、長壽命的導電液體膜，實現順暢的液-液分離
科學研究中最重要的是要找到解決主要矛盾的方法！以本文為例，液液接觸之所以難發電，其關鍵在於液體很容易融合，難以分離。所以，這篇文章首先要解決的問題就是要實現順暢的液液分離。
那麼具體怎麼做呢？本文所設計的是一顆液滴與一層液膜來進行接觸並分離。
◆ 其基本原理：液滴在與液膜接觸後，能夠穿過液膜，保持液滴的形態（由於液滴和液膜具有相同的物理狀態，所以液滴穿過液膜的阻力非常小）；而液膜的自恢復性及流動性能夠延長膜的保持時間。
◆ 具體做法：作者首先採用3D打印技術打印出液體膜的支架，並在其中嵌入導線實現電荷的傳輸；優化液膜成分並在支架上加入溝槽和儲液槽使液體得到實時補充
◆ 液膜調控的要點：通過表面活性劑增加液膜的粘度，通過引入蔗糖、聚乙烯醇來降低液膜的揮發速度◆ 結果：在支架優化和液體優化的參數下，在水滴不斷穿過液膜的情況下，液膜在實驗室環境實現了5 h的保持時間。
B.
不同的工作模式及物理機制：
模型搭建好了之後，接下來的關鍵在於如何起電？液液接觸起電的模式是什麼？本文中介紹了兩種接觸起電的模式。
◆ 第一種是液膜接地模式（圖a）:未經特殊處理的液滴在下落的過程中傾向於帶正電荷，當液滴與接地的液膜接觸時，自由電子會從接地線路向液膜流動中和液滴的正電荷，進而產生了定向流動的電流。
◆ 第二種是預充電模式（圖b）:考慮到不帶電的液體在液膜接地模式下不能有連續輸出，因此作者改進了支架的結構得到圖b所示的預充電模式。在液膜附近加上電場從而在液膜中感應出正電荷，當液體穿過液膜後使其電荷量減少，感應出正電荷進行補償，進而在電路中形成定向的電荷移動。
C. 器件設計——液液接觸起電的電量到底有多大？與作用機制同等重要的是，液液接觸到底能產生多少能量？這些能量能用來幹嘛？
這就需要設計一個器件，給人們一個具象。測試發現，液滴穿過預充電的液膜，電壓可以達到4 V,平均電流為60 nA，而穿過不帶電的液膜輸出要下降很多，電壓和電流分別為30 mV和0.65 nA。為了獲得更高的輸出，作者通過陣列結構使一滴水穿過多層膜從而實現一滴水的多個電信號輸出（預充電液膜與接地液膜間隔排列）；液滴穿過液膜的不同位置也會對輸出產生影響，在液膜邊緣處輸出較大；通過接地液膜實現多種帶電體的電荷去除，去除效率超過95%，電荷去除過程中產生的電能甚至可以點亮一盞綠光LED燈。
D. 液滴通過液膜運動過程的動力學問題
液滴與液膜碰撞過程中受到重力、空氣阻力、液膜表面張力的作用，這三個力均可以用公式表示，運用牛頓第二定律公式得到受力與其加速度的關係，其中涉及液滴半徑和液膜曲率半徑，液膜曲率半徑在液滴下落過程的不同階段會隨液滴與液膜的距離有所變化，將上述涉及到的變量帶入即可得到位置與時間的變化關係，進而微分得出液滴的速度時間關係，藉助這一表達式，對於給定直徑的液滴，即可得出通過液膜後的速度變化。計算得出，對於直徑大於1.4mm的液滴，在通過液膜後其速度變化小於1%，所以雨滴等小液滴都可以平穩的穿過液膜，具有很廣的適用範圍，與此同時，相比其他固固界面、液固界面的摩擦納米發電機，液滴穿過液膜的過程中所受阻力很小，幾乎可以忽略不計。
4.點評：
◆
關於文章：作者找到了一種巧妙的方法實現液體與液體之間的接觸與分離，並對液體膜的成分進行了一系列的改進優化，提升了膜的彈性、穩定性以及保留時間，並對該膜的物理、化學性質進行了完備的闡述。在製備出合適的液體膜後，對起電性能進行研究探索，包括接地模式、預先充電模式，並拓展到多層膜的陣列提升起電性能，作者還關注到液體與膜不同位置接觸對輸出造成的影響。在實驗現象的基礎上還對其中起電的物理機理、液滴液膜的動力學問題進行解釋，兼備創新性與系統性。
◆ 關於創意：不知道大家有沒有過這樣的經歷，在泡泡水用完後自己也會用洗潔精、洗髮水之類的去試著自己配，但是效果總是不及購買的，或許我們也會故意在下雨天吹泡泡看雨滴是否會把泡泡打破。這都是兒時玩鬧的場景，但是其中很多現象都和科學問題相關，在豐富的知識背景下作者將這一想法與摩擦納米發電機相結合，得到了可以用液膜獲取液滴電荷的裝置，我們也要多觀察生活，收藏生活中的點滴想法，與我們的研究課題結合，說不定就可以碰撞出智慧的火花。
◆ 關於審稿意見：Nature communication是筆者目前發現較少公開審稿意見的雜誌，在文章主頁supplementary information選項的 peer review file中可以下載，一方面從審稿意見中可以看出審稿人提問問題的角度、方向，可以為我們的研究開拓思路，另一方面，學習文章作者回答問題的方式可以提升我們的思辨能力，遇到感興趣的文章不妨把審稿意見下載一同學習，同學們如果發現自己研究領域公開審稿意見的雜誌也歡迎在評論區討論，相互學習。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-10232-x
Nat Commun 10, 2264 (2019)
DOI: 10.1038/s41467-019-10232-x
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