【導語】冬天靜電頻發，讓人不勝其煩。但科學家們卻從中看到了新的能源可能——摩擦電納米發電機（TENG）。這種裝置能將日常摩擦產生的靜電轉化為電能，為低功耗設備供電。盡管目前麵臨技術瓶頸，但最新研究表明，通過創新設計，如利用聚合物微珠實現快速組裝與自修複，TENG的穩定性和耐用性得到顯著提升。未來，糖心免费视频或許能見證更多自供電電子設備的誕生，邁向“自供電時代”。本文將深入探討摩擦電納米發電機的原理、最新進展及其潛在應用。

圖蟲創意

冬天最煩人除了冷之外，還有走到哪“電”到哪！脫毛衣“劈裏啪啦”，摸門把手“啪”一下，就連握手都能被電到。這些都是摩擦電在作怪。不(bù)過(guò)，科(kē)學(xué)家(jiā)們(men)正(zhèng)把(bǎ)這(zhè)種(zhǒng)靜(jìng)電(diàn)現(xiàn)象(xiàng)，變(biàn)成(chéng)一(yī)種(zhǒng)真(zhēn)正(zhèng)能(néng)發(fā)電(diàn)的(de)“黑(hēi)科(kē)技(jì)”！

摩(mó)擦(cā)電(diàn)納(nà)米(mǐ)發(fā)電(diàn)機(jī)，簡(jiǎn)單(dān)來(lái)說(shuō)，就(jiù)是(shì)把(bǎ)你(nǐ)冬(dōng)天(tiān)脫(tuō)毛(máo)衣(yī)時(shí)“劈(pī)裏(lǐ)啪(pā)啦(la)”的(de)靜(jìng)電(diàn)，變(biàn)成(chéng)可(kě)以(yǐ)被(bèi)利(lì)用(yòng)的電能，用來驅動一些小型電子設備或傳感器。雖然目前功率還比較有限，但已經展現出為低功耗設備供電的潛力。

其實早在2012年，王中林院士團隊就在《ACS Nano》雜誌上首次提出了“摩擦電納米發電機”（TENG, Triboelectric Nanogenerator）的概念，簡單來說，當兩種不同材料反複接觸-分離時，由於不同材料對電子的“吸引力”不同（稱為電子親和力），導致兩個表麵分別帶上正負電荷而產生摩擦電。
這時候，如果在它們後麵裝上兩個電極，並且讓它們“動起來”——比如一上一下振動、滑動、拉伸等——那麽由於電荷之間的重新分布，會在電極之間形成電勢差，電子就會“順勢而為”地流動，從而形成電流。
這套裝置不需要磁鐵、不用線圈、甚至不用外部電源，隻靠材料“接觸-分離”就能發電，而且原材料便宜、輕巧又環保，簡直是低成本能源界的“天選之子”。

這麽好用，為什麽這套裝置還沒有普及呢？

因(yīn)為(wèi)還(hái)有(yǒu)很(hěn)多(duō)技(jì)術(shù)瓶(píng)頸(jǐng)沒(méi)有(yǒu)突(tū)破(pò)。比(bǐ)如說，微結構排列難以精準控製，常常導致性能不穩定、重複性差；材料本身也不夠“抗造”，容易磨損、壽命短；摩擦材料的製備過程還又貴又繁瑣，技術門檻高；此外，想要同時兼顧微顆粒的尺寸與機械性能更是難上加難，尤其是在幹燥條件下，小於10微米的顆粒帶電行為更是難以預測。

不過這些技術瓶頸正在一個個被解決。

2025年2月5日，布魯塞爾自由大學（VUB）與荷蘭特文特大學合作團隊在國際期刊《Small》上發表了他們關於摩擦納米發電機最新的研究成果。

該合作團隊成功研製出可快速組裝、超穩定且具自修複能力的聚合物微珠單層摩擦電納米發電機。這一創新設計在10,000次循環測試後仍能穩定輸出電能，展現出前所未有的耐用性，為下一代自供電技術打開了新局麵

這是如何做到的呢？關鍵在於這個聚合物微珠。
這項研究中，科研團隊采用了一種叫“無溶劑摩擦組裝”的方法來製備聚合物微珠。簡單來說，聚合物微珠就是由一些有機高分子材料（比如PMMA、PS或MF樹脂）製成的小球，直徑通常在幾十納米到幾十微米之間。它們的優點是大小一致、結構可控、而且表麵很容易進行功能處理，這些特性使它們非常適合用來構建整齊排列的微型結構。

那麽，研究人員是怎麽讓這些微小的球自己排好隊的呢？他們先把微米級的微珠均勻撒在塗有金層的玻璃基底上，然後用一塊柔軟的PDMS（聚二甲基矽氧烷）“橡皮”，像擦黑板那樣輕輕在表麵摩擦。就是這麽一個簡單的動作，微珠就開始自己“滾動”起來，自動排成了蜂窩狀的六邊形緊密結構（HCP），整個過程不到20秒，既快速又高效。

相比傳統靠溶劑、蒸發、自組裝的方式，這種方法不需要溶劑，沒有汙染，還特別(bié)容(róng)易(yì)調(diào)整(zhěng)：如(rú)果(guǒ)排(pái)列(liè)不(bù)整(zhěng)齊(qí)，隻(zhǐ)要(yào)再(zài)“擦(cā)”一(yī)遍(biàn)就(jiù)能(néng)重(zhòng)新(xīn)排(pái)列(liè)好(hǎo)。這項技術首次實現了在幹燥條件下，讓直徑小於10微米的顆粒也能穩定、有序地排列，不僅有助於研究顆粒間的靜電作用，還為低成本、高效率地製造摩擦電設備提供了新思路。

為什麽聚合物微珠可快速組裝、超穩定且具自修複能力呢？主要歸因於以下四點。
第一，聚合物微珠本身的“先天條件”非常好——它們的大小幾乎一樣，形狀也非常規整，像一個個小小的標準球。這種一致性讓它們在摩擦過程中更容易緊密排列，形成蜂窩狀的六邊形堆疊結構（HCP），既緊湊又有序。
第二，研究人員采用了一個巧妙的方法：用一塊柔軟的PDMS材料（像橡皮一樣）在硬質基底上輕輕來回擦動。這個過程會在微珠上施加一個方向一致的“剪切力”，使得它們像滾小球一樣滾動移動，從而在短短20秒內自動排成整齊的隊形。
第三，在摩擦的過程中，微珠和底部基材之間會發生微弱的電荷轉移，產生靜電吸附力。這種吸附力能幫助微珠更牢固地貼在基底上，從而穩定地保持排好的結構，不容易被打亂。
第四，即使排列的結構受到輕微破壞，比如摩擦不均或受到擾動，也不用擔心。這種微珠排列不是剛性的，它們之間能保留一定的流動性。隻要再擦一遍，微珠就能重新滾動、再度排列好，實現“自我修複”。
這四點共同構成了這種無溶劑摩擦組裝法的核心優勢：快速、高效、可重複、易修複。

簡單來說就是，聚合物微珠個頭大小一致，形狀非常圓，像一顆顆迷你彈珠。當你把它們撒在一個表麵上，就像小球在桌麵滾動——它們會自動排列成整齊的圖案，不需要複雜的操作或高溫加熱。摩擦過程中微珠還會帶上靜電，把它們吸在原位，讓排(pái)列(liè)更(gèng)穩(wěn)定(dìng)。即(jí)使(shǐ)中(zhōng)途(tú)有(yǒu)些(xiē)錯(cuò)位(wèi)了(le)，隻(zhǐ)要(yào)再(zài)擦(cā)一(yī)遍(biàn)，它(tā)們(men)又(yòu)能(néng)自(zì)動(dòng)歸(guī)隊(duì)。

這(zhè)種(zhǒng)“自(zì)我(wǒ)排(pái)隊(duì)”的(de)能(néng)力(lì)，讓(ràng)聚(jù)合(hé)物(wù)微珠(zhū)首(shǒu)次(cì)被(bèi)成(chéng)功(gōng)應(yīng)用(yòng)到(dào)摩(mó)擦(cā)電(diàn)納(nà)米(mǐ)發(fā)電(diàn)機(jī)中(zhōng)。該(gāi)研(yán)究(jiū)將(jiāng)兩(liǎng)層(céng)聚(jù)合(hé)物(wù)微(wēi)珠(zhū)貼(tiē)在(zài)一(yī)起(qǐ)，輕(qīng)輕(qīng)一(yī)摩(mó)擦(cā)，就(jiù)能(néng)發電。實驗結果發現，無論是MF微珠，還是PMMA、PS微珠，大微珠總是帶負電，而小微珠則在與同類材料接觸後帶正電——這其實與表麵積有關：顆粒越大，接觸麵積越大，電荷交換也就越多。而MF微珠更是“搶電狂魔”！它不僅硬度高（楊氏模量高達6GPa），還超親水，特別容易吸電子，所以無論搭配PMMA還是PS，摩擦後都穩穩帶正電，發電表現爆表。更驚奇的是，當MF微珠與大顆粒混搭使用時，表麵電荷竟然翻倍！就像大齒輪配小齒輪，協同作戰、發電更高(gāo)效。該研究不僅揭示了微米顆粒的帶電規律，還提供了一種穩定、高效的微珠電極設計策略。

最後，為了驗證微珠TENG的穩定性，研究人員測試了一個由3μm PMMA 和 0.5μm MF微珠組成的TENG裝置，反複垂直分離摩擦了10,000次，結果電流幾乎沒變，非常穩定！在電子顯微鏡下，PMMA微珠隻是起了點小皺紋，MF幾乎毫發無損，展現了卓越的耐用性，堪稱抗造(zào)天(tiān)花(huā)板(bǎn)。穩(wěn)定(dìng)的(de)關鍵性(xìng)秘(mì)訣(jué)在(zài)於(yú)三(sān)個(gè)方(fāng)麵(miàn)：第(dì)一(yī)，微(wēi)珠(zhū)的(de)“抱(bào)團(tuán)合(hé)作(zuò)”分(fēn)擔(dān)壓(yā)力(lì)，避(bì)免(miǎn)了(le)磨(mó)損(sǔn)的(de)集中(zhōng)；第(dì)二(èr)，氟(fú)碳(tàn)塗(tu)層(céng)大(dà)幅(fú)減(jiǎn)少(shǎo)了(le)摩(mó)擦(cā)損耗，保護了微珠的完整性；第三，微珠具備自修複能力，輕微磨損時會自動調整位置填補空缺，再輕輕摩擦一次即可恢複排列，實現“邊用邊修”。 這一技術的突破不僅讓摩擦電納米發電機在實際應用中的耐久性大大提升，也為打造低維護、長壽命的自供電設備鋪平了道路。未來，糖心免费视频離“用摩擦點亮世界”的目標，又近了一步！

摩擦電納米發電機到底有什麽用？要把它變成電子設備的免費供電站還需要解決那些問題呢？

目前已有研究將TENG用於智能手環中收集手腕運動能量，供低功耗設備使用(yòng)；在(zài)可(kě)穿(chuān)戴(dài)血(xuè)氧(yǎng)監(jiān)測(cè)中(zhōng)，實(shí)現(xiàn)了(le)貼(tiē)合(hé)皮(pí)膚(fū)的(de)自(zì)供(gōng)電(diàn)健(jiàn)康(kāng)監(jiān)測(cè)；還(hái)有(yǒu)用(yòng)於(yú)無(wú)線(xiàn)肺(fèi)量(liàng)計(jì)和(hé)坐(zuò)姿(zī)矯(jiǎo)正(zhèng)衣(yī)的(de)設(shè)計(jì)，也(yě)證(zhèng)明(míng)TENG在(zài)便(biàn)攜(xié)式(shì)健(jiàn)康(kāng)設(shè)備(bèi)中具備實際應用潛力。本研究將MF微珠作為TENG的“發電核心”，憑借其卓越的硬度、穩定性以及自修複能力，有望在不久的將來成為推動這項技術從實驗室走向實際應用的關鍵技術之一。

想象一下，未來的智能手表、耳機，甚至醫療貼片，可能通過你走路、跑步或簡單的手部動作來實現自供電，減少對外部電源的依賴。然而，要讓摩擦電納米發電機真正成為電子設備的“自給電源”，糖心免费视频仍需解決一係列技術挑戰。比如，如何提升輸出功率以滿足更多設備的需求；如何提高材料的耐久性和發電穩定性；以及如何實現大規模、低成本製造等。正如這項新研究所展現的那樣，科學家們正在不斷探索並取得進展，或許在不久的將來，摩擦電技術將成為通往“自供電時代”的重要一步。

本文為·創作培育計劃扶持作品

作者：朱星 日產汽車電池工程師

審核：霍群海 中國科學院電工研究所 研究員

出品：中國科(kē)協科普部

監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司