材料基因組計(jì)劃在全球范圍內(nèi)引起了極大的關(guān)注。不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Σ煌牧嫌歇?dú)特和多樣化的要求。高質(zhì)量的材料表征數(shù)據(jù)，包括材料不同特性的定量表征和交流互通的標(biāo)準(zhǔn)，對于實(shí)現(xiàn)不同材料（特別是新材料）在科學(xué)、工程和設(shè)計(jì)領(lǐng)域的快速應(yīng)用和發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。近來，摩擦起電效應(yīng)被應(yīng)用在能源收集與轉(zhuǎn)換，自驅(qū)動傳感，和柔性電子等領(lǐng)域，引起廣泛關(guān)注。這一效應(yīng)是由兩種材料接觸引發(fā)的帶電，對任何材料都自然存在的效應(yīng)，而不同的材料產(chǎn)生的電荷量都大不相同。現(xiàn)有表征材料特性的物理量眾多，包括熱學(xué)性能（熱容、熱導(dǎo)率、熔點(diǎn)等），力學(xué)性能（彈性模量、屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度），電學(xué)性能（電阻率、電導(dǎo)率、介電常數(shù)等），光學(xué)性能（折射率、反射率等），然而目前卻缺少能定量表征摩擦起電的工具。唯一的工具只有摩擦靜電序列，卻只能定性描述材料產(chǎn)生電荷的極性，卻無法定量表征材料摩擦起電的能力。
如何開發(fā)一種新的定量表征和測量方法實(shí)現(xiàn)對材料摩擦起電特性的定量測量和表征？佐治亞理工學(xué)院和北京納米能源所王中林院士，其博士生鄒海洋，張穎博士，郭立童博士等定義了新的“材料基因”-摩擦電荷密度，研發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)測量方法定量測量材料的摩擦起電特性，并詳細(xì)測量了眾多常用材料的這一特性。相關(guān)研究《Quantifying the triboelectric series》發(fā)表在《Nature Communications》上。
摩擦起電受材料表面，環(huán)境條件和測試條件影響巨大。材料表面粗糙度，氣溫，濕度，測量時材料間使用力的大小都影響測量結(jié)果。由于材料的力學(xué)特性不同，在不同測試材料之間使用相同壓力，產(chǎn)生相同應(yīng)變是無法實(shí)現(xiàn)的，這造成了定量測量的極大難度。他們巧妙采用液態(tài)金屬汞與測試材料接觸與分離（如圖1），利用液態(tài)金屬的形狀適應(yīng)性，使得接觸面積最大化；同時汞具有很強(qiáng)的表面張力，能夠及時與接觸材料分離，利用線性馬達(dá)穩(wěn)定的控制接觸條件，從而有效的消除接觸力，表面粗糙度等測試條件的影響。他們采用在嚴(yán)格控制環(huán)境條件的手套箱內(nèi)，消除外界環(huán)境不同的影響 ，從而能準(zhǔn)確測量。他們通過標(biāo)準(zhǔn)化測量表征了眾多常用材料，定義了材料的“摩擦電荷密度”來表征材料的摩擦起電特性（如圖2）。
圖1 測量原理
圖2：定量測量的摩擦靜電序列
這項(xiàng)研究不但對于解決已經(jīng)有2600多年的最常見最古老但也是最重要的摩擦起電效應(yīng)，而且將對有力促進(jìn)對材料基礎(chǔ)特性的研究，為各材料的廣泛應(yīng)用和相關(guān)基礎(chǔ)研究（材料特性數(shù)據(jù)采集，建模和分析）奠定基礎(chǔ)，為材料基因組計(jì)劃在能量收集，傳感和人機(jī)交互等領(lǐng)域的發(fā)展提供有力的支撐。
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