摩擦起电研究进展

摩擦起电的研究历史悠久。从历史上看，摩擦起电是人们最早系统观察和研究的电学现象，早在古希腊时期就已经有关于摩擦起电的观察记录。古希腊哲学家泰勒斯发现琥珀和毛皮摩擦后可以吸引细小的物体，说明那时人们已经发现了摩擦起电现象。我国东汉时期的思想家王充所著《论衡·乱龙》中也记载了“顿牟掇芥，磁石引针” 的现象，这里的“顿牟” 就是玳瑁或者琥珀之类的材料，所述现象即为静电吸引。

16 世纪，人们对静电现象有了进一步观察。英国吉尔伯特出版的《论磁石》一书中发表了他观察到的静电现象，发现除了琥珀之外，还有硫黄等十余种物质都存在静电吸引的现象，并将这种起作用的物质命名为“electric”。英文“electricity”一词出现在1646年左右，最初含义即为“吸引轻物体的力”。受到吉尔伯特书籍出版的影响，人们对静电的研究更加深入，并开启了电磁学研究的序幕。

尽管摩擦起电的研究起源很早，但是直到近代，特别是近几十年才有了比较系统和科学的认识。摩擦起电的研究历史，整体表现出从感性到理性、从简单到复杂、从现象到机理、从研究到应用的特点。

▲ 几种摩擦起电早期研究的实验装置

从研究形式或者测试方法上看，传统的摩擦起电的研究方法主要是基于静态的测量，如通过法拉第筒测量物体的荷电量、表面电势等。随着仪器科学的进步，摩擦起电的研究逐渐由静态测量向动态测试发展，通过设计电极或者放置探头，利用数据采集装置将摩擦电的相关信息原位地收集起来。另外，将摩擦起电与接触、黏附、摩擦等其他物理过程或表界面基础科学问题结合起来，还能反映表面和界面的性质，为表界面科学打开了一扇崭新的大门。

2012 年，中国科学院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士课题组首次提出了摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator，TENG) 的概念，引起了更多研究者对于摩擦电在能源利用、自供电传感设计及摩擦起电机理研究的浓厚兴趣，同时极大地促进了摩擦起电机理和静电学的发展。在提出摩擦纳米发电机的概念之初，他们将其分为了垂直接触–分离模式、水平滑动式、单电极模式、独立层模式这四种常见的工作模式，使得界面的摩擦起电能够被有效地收集起来。后来又陆续进行了补充和完善，如基于静电击穿效应的起电模式、基于半导体接触的PN 结起电模式、基于金属–半导体肖特基接触的起电模式和基于电子隧穿的起电模式等。多种形式摩擦纳米发电机的开发极大地完善了摩擦起电的测试方法和技术。

近年来，摩擦起电机理研究也取得了飞速的发展和完善，摩擦起电的基础工作机理通过能带理论得到了清晰的解释。王中林课题组提出一种电子云势阱模型，用于解释摩擦起电过程中的电子转移问题，并阐述了使用开尔文探针力显微镜(Kelvin probe force microscopy，KPFM) 等先进手段研究固体与固体界面接触起电机理的最新进展，主要结论如下：电子转移是固体与固体界面接触起电的主要机制，只有当两种材料之间的原子间距离小于斥力区域中的正常键合长度（约为0.2nm）时，界面才会发生电子转移。由于原子间势垒的降低，斥力区中两个原子或者分子之间的强电子云重叠（或波函数重叠）导致原子或者分子之间的电子跃迁，接触或者摩擦力的作用是诱导电子云之间的强烈重叠（物理学中的波函数，化学中的键合）。

上述电子转移模型也可扩展至固体和液体界面的摩擦起电。在固–液界面的摩擦起电方面，传统的解释是基于金属和电解液接触的经典双电层理论发展而来的，认为液体中孤立表面的电荷是由表面基团的电离或离解以及离子从液体到固体表面的动态吸附或结合引起的。但是在界面的接触起电过程中，主要的载流子究竟是电子还是离子，仍然存在很大的争议。在最近的研究中，固–液界面载流子的归属得到了新的阐释，电子和离子均在界面摩擦起电过程中起着重要的作用，并且与材料的本性、双电层性质、界面润湿性密切相关。

王中林教授提出的双电层形成的两步模型不仅解释了双电层起源的本质是接触界面的电子转移，还解决了电子和离子作为界面载流子的争议，丰富了双电层的基本含义。林世权等通过加热基底耗散电子的方法首次在微观层次上证明了电子和离子二者均是固–液界面摩擦起电载流子的重要部分。另外，通过类似的宏观方法也证明了电子和离子对界面在摩擦起电中的双重作用，并且系统探究了在宏观尺度上温度、离子浓度、pH 和表面组成等因素对摩擦起电的影响。环境磁场会促进含氧液体和铁磁性样品之间的电荷转移，表明在固–液界面摩擦起电过程中发生了自旋选择的电子转移。近期，界面的摩擦起电还被提出参与直接催化化学反应，降解甲基橙溶液，揭示了界面的电子转移在摩擦化学中的反应路径。

从摩擦起电的应用来看，传统的摩擦起电研究为电磁学的发展做出了巨大贡献。随着对摩擦电的认识深入，人们尝试将摩擦起电在各个领域进行应用。摩擦纳米发电机的概念被提出以后，摩擦起电理论得到了新的发展，研究人员开始将摩擦电作为一种信号源或者一种能源方式，摩擦电已被广泛应用在收集人体运动能量、振动能、风能、海洋能，以及应用于自驱动系统、生物传感、运动传感、环境传感和摩擦监测等领域。

▲ 摩擦纳米发电机的应用分类

摩擦起电的应用领域可以大致分为三部分。首先，摩擦起电可以作为一种新的能量收集的方式被利用。随着界面摩擦起电研究的深入，摩擦电能作为一种能源受到了越来越多科研人员的关注。旨在收集摩擦电能的摩擦纳米发电机的应用范围不仅面向传统领域的能量收集和供应，还面向可穿戴电子设备、植入式医疗设备、人机交互等新兴领域。其次，在很多系统中，摩擦起电也可以作为一种信号源被利用起来。例如，在摩擦学中，摩擦起电可以作为一种反映摩擦副的摩擦或者润滑状态的信号，已经成为一种新型的检测手段。最后，摩擦起电还可以作为一种界面静电作用力来调控摩擦。摩擦起电可以产生摩擦电荷，导致两个表面之间存在静电作用力，同此利用界面的静电作用力可以实现调控摩擦的目的。

《摩擦起电科学与技术》（北京：科学出版社，2024.1）由中国科学院兰州化学物理研究所王道爱研究员和周峰研究员组织撰写，从摩擦学的角度向读者介绍摩擦起电与表界面科学的关系，全面阐述了界面的摩擦起电行为并介绍界面摩擦起电的机制、调控及应用，力求全面及时地反映该领域的研究进展，以达到交流研究经验、推动摩擦起电科学与技术发展的目的。

• 第1 章介绍摩擦起电现象与定义及摩擦起电的研究历史，展示摩擦电研究的必要性和发展态势；

• 第2 章介绍摩擦起电的原理，包括摩擦起电序列、能带理论、固–液界面起电理论、半导体参与的摩擦起电机制、击穿放电、摩擦起电与摩擦化学等机制；

• 第3 章介绍摩擦起电与表界面行为的相关性，包括摩擦学及与表界面科学相关的界面接触、黏附、剥离、材料的磨损和转移、润滑、表面润湿性等条件对摩擦起电的影响，并从表界面行为角度对摩擦起电理论进行补充；

• 第4 章介绍摩擦起电的影响因素，包括材料本性、环境因素、特殊空间环境等，另外结合作者多年的研究经验，介绍摩擦起电调控原理和方法；

• 第5章介绍作者团队近几年在摩擦起电利用方面的应用实例，包括在能源收集、自驱动传感检测、智能润滑监测、减摩抗磨、油水分离等领域的应用等；

• 第6 章介绍摩擦起电涂层设计及应用，包括有机涂层、有机–无机复合涂层、功能一体化涂层的涂层设计原理、改性方法等内容，以及自供电防腐防污涂层的应用等；

• 第7 章介绍静电防护技术与方法，包括防静电涂层与喷剂的设计原理；

• 第8章介绍摩擦起电常用的测试仪器及方法；

• 第9 章对摩擦起电未来的发展方向进行展望。

本文摘编自《摩擦起电科学与技术》（王道爱，周峰著. 北京：科学出版社，2024.1）一书“第1 章绪论”“前言”“序”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-074501-9

摩擦起电是一种常见的物理现象，两个物体摩擦或接触-分离就会产生摩擦起电。由摩擦起电引起的静电效应，在机械、轻工等领域有着广泛的应用，但同时也给石油输运、工业生产等带来安全隐患，对人们的生活及安全造成不利影响。近年来，摩擦电作为一种绿色能源，其收集和利用受到广泛关注。本书以摩擦表界面的起电原理为出发点，全面、系统地介绍摩擦表界面的起电过程、影响因素，摩擦电的收集、利用及测试方法等基础理论与知识；重点阐述与摩擦学及表界面科学相关的界面接触、黏附、剥离、材料磨损、材料转移、润滑、表面润湿性等条件对摩擦起电的影响，对其技术应用进行详细论述。

本书可作为摩擦磨损、摩擦起电方向研究与开发科技工作者的参考书，也可作为高等院校表界面科学、材料学等相关专业师生的参考书。

（本文编辑：刘四旦）