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“顶刊精读”专栏。稿件主要面向近期的Nature, Science及其子刊。我们希望能够深入理解这些高质量的论文，把其中蕴含的研究方法/技巧，实验设计理念和构思方法等展示给大家。今天为大家带来的是王中林院士团队发表在Nat. Commun.上的一篇文章。
1.引言：基于液体与液体界面接触分离实现能量收集的研究匮乏
自2012年王中林课题组发明了摩擦纳米发电机以来，摩擦发电技术逐渐成为一种微纳能源收集的主流技术。目前，基于固体与固体，固体与液体界面摩擦起电的报道已经有很多，但是基于液体与液体界面接触分离实现能量收集的研究却少有报道。那么我们有什么办法可以突破液-液界面接触发电的难题，从而将摩擦纳米发电机的应用拓展到液-液界面呢？本文将对王中林院士和陈翔宇研究员领导的研究团队2019年在Nature Communications发表的文章进行解读，和大家一起学习液体与液体接触起电的实现方法。
2.问题：液液接触为何难以发电？——液体分离问题
液体与液体之间流畅的接触与分离，由于液体的流动性导致液体很容易融合而很难分离；在摩擦发电机中，固体间接触分离后两个界面带相反的电荷，而液体与液体分离后的界面却与上述情况不同，这将影响
电荷的连续输出。
3.论文的思路
A. 设计一种高弹性、长寿命的导电液体膜，实现顺畅的液-液分离
科学研究中最重要的是要找到解决主要矛盾的方法！以本文为例，液液接触之所以难发电，其关键在于液体很容易融合，难以分离。所以，这篇文章首先要解决的问题就是要实现顺畅的液液分离。
那么具体怎么做呢？本文所设计的是一颗液滴与一层液膜来进行接触并分离。
◆ 其基本原理：液滴在与液膜接触后，能够穿过液膜，保持液滴的形态（由于液滴和液膜具有相同的物理状态，所以液滴穿过液膜的阻力非常小）；而液膜的自恢复性及流动性能够延长膜的保持时间。
◆ 具体做法：作者首先采用3D打印技术打印出液体膜的支架，并在其中嵌入导线实现电荷的传输；优化液膜成分并在支架上加入沟槽和储液槽使液体得到实时补充
◆ 液膜调控的要点：通过表面活性剂增加液膜的粘度，通过引入蔗糖、聚乙烯醇来降低液膜的挥发速度◆ 结果：在支架优化和液体优化的参数下，在水滴不断穿过液膜的情况下，液膜在实验室环境实现了5 h的保持时间。
B.
不同的工作模式及物理机制：
模型搭建好了之后，接下来的关键在于如何起电？液液接触起电的模式是什么？本文中介绍了两种接触起电的模式。
◆ 第一种是液膜接地模式（图a）:未经特殊处理的液滴在下落的过程中倾向于带正电荷，当液滴与接地的液膜接触时，自由电子会从接地线路向液膜流动中和液滴的正电荷，进而产生了定向流动的电流。
◆ 第二种是预充电模式（图b）:考虑到不带电的液体在液膜接地模式下不能有连续输出，因此作者改进了支架的结构得到图b所示的预充电模式。在液膜附近加上电场从而在液膜中感应出正电荷，当液体穿过液膜后使其电荷量减少，感应出正电荷进行补偿，进而在电路中形成定向的电荷移动。
C. 器件设计——液液接触起电的电量到底有多大？与作用机制同等重要的是，液液接触到底能产生多少能量？这些能量能用来干嘛？
这就需要设计一个器件，给人们一个具象。测试发现，液滴穿过预充电的液膜，电压可以达到4 V,平均电流为60 nA，而穿过不带电的液膜输出要下降很多，电压和电流分别为30 mV和0.65 nA。为了获得更高的输出，作者通过阵列结构使一滴水穿过多层膜从而实现一滴水的多个电信号输出（预充电液膜与接地液膜间隔排列）；液滴穿过液膜的不同位置也会对输出产生影响，在液膜边缘处输出较大；通过接地液膜实现多种带电体的电荷去除，去除效率超过95%，电荷去除过程中产生的电能甚至可以点亮一盏绿光LED灯。
D. 液滴通过液膜运动过程的动力学问题
液滴与液膜碰撞过程中受到重力、空气阻力、液膜表面张力的作用，这三个力均可以用公式表示，运用牛顿第二定律公式得到受力与其加速度的关系，其中涉及液滴半径和液膜曲率半径，液膜曲率半径在液滴下落过程的不同阶段会随液滴与液膜的距离有所变化，将上述涉及到的变量带入即可得到位置与时间的变化关系，进而微分得出液滴的速度时间关系，借助这一表达式，对于给定直径的液滴，即可得出通过液膜后的速度变化。计算得出，对于直径大于1.4mm的液滴，在通过液膜后其速度变化小于1%，所以雨滴等小液滴都可以平稳的穿过液膜，具有很广的适用范围，与此同时，相比其他固固界面、液固界面的摩擦纳米发电机，液滴穿过液膜的过程中所受阻力很小，几乎可以忽略不计。
4.点评：
◆
关于文章：作者找到了一种巧妙的方法实现液体与液体之间的接触与分离，并对液体膜的成分进行了一系列的改进优化，提升了膜的弹性、稳定性以及保留时间，并对该膜的物理、化学性质进行了完备的阐述。在制备出合适的液体膜后，对起电性能进行研究探索，包括接地模式、预先充电模式，并拓展到多层膜的阵列提升起电性能，作者还关注到液体与膜不同位置接触对输出造成的影响。在实验现象的基础上还对其中起电的物理机理、液滴液膜的动力学问题进行解释，兼备创新性与系统性。
◆ 关于创意：不知道大家有没有过这样的经历，在泡泡水用完后自己也会用洗洁精、洗发水之类的去试着自己配，但是效果总是不及购买的，或许我们也会故意在下雨天吹泡泡看雨滴是否会把泡泡打破。这都是儿时玩闹的场景，但是其中很多现象都和科学问题相关，在丰富的知识背景下作者将这一想法与摩擦纳米发电机相结合，得到了可以用液膜获取液滴电荷的装置，我们也要多观察生活，收藏生活中的点滴想法，与我们的研究课题结合，说不定就可以碰撞出智慧的火花。
◆ 关于审稿意见：Nature communication是笔者目前发现较少公开审稿意见的杂志，在文章主页supplementary information选项的 peer review file中可以下载，一方面从审稿意见中可以看出审稿人提问问题的角度、方向，可以为我们的研究开拓思路，另一方面，学习文章作者回答问题的方式可以提升我们的思辨能力，遇到感兴趣的文章不妨把审稿意见下载一同学习，同学们如果发现自己研究领域公开审稿意见的杂志也欢迎在评论区讨论，相互学习。
文章链接：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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