由美國佐治亞理工學(xué)院的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組稱，他們?nèi)涨伴_發(fā)出了一種透明的柔性摩擦電發(fā)電機。這種微型發(fā)電機能將散步這樣的機械能轉(zhuǎn)化為電，能“感覺”到一根羽毛飄落下來產(chǎn)生的壓力，能用來制造自供電的觸摸屏，在電子產(chǎn)品、環(huán)境監(jiān)測以及醫(yī)療設(shè)備制造等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。
摩擦電是自然界中 常見的一種現(xiàn)象之一，無論是梳頭、穿衣還是走路、開車都能遇到。但同時它們又很難被收集和利用，因此也往往被人視而不見。在新研究中，由美國佐治亞理工學(xué)院教授王中林領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，借助柔性高分子聚合物材料成功地將摩擦轉(zhuǎn)化成為了可供使用的電力。
這種摩擦電發(fā)電機依靠摩擦點電勢的充電泵效應(yīng)，通過聚酯纖維薄片與聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄片的摩擦來產(chǎn)生電力。借助一種分離技術(shù)，當(dāng)摩擦發(fā)生時，兩層聚合物薄膜之間產(chǎn)生電荷分離并形成電勢差，經(jīng)由外部電路即可形成電流。在摩擦中，聚酯纖維產(chǎn)生電子，聚二甲基硅氧烷則負(fù)責(zé)接收電子。此外，外部的按壓產(chǎn)生的機械形變也能使它們發(fā)生摩擦產(chǎn)生電力。
雖說光滑的表面在相互摩擦?xí)r也能產(chǎn)生電荷，但這些電荷的數(shù)量并不能滿足應(yīng)用的需要。于是王中林和他的團隊通過改變摩擦表面圖案的方式來產(chǎn)生更大的電流。研究人員分別對線條、立方體和金字塔三種圖案進(jìn)行了測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)金字塔圖案的表面在摩擦?xí)r加速了電荷的形成，更利于電荷的分離，能產(chǎn)生 多的電流，極大地提高摩擦電發(fā)電機的效率。
為了制造這種微型摩擦電發(fā)電機，研究人員首先借助光刻和蝕刻工藝，用硅片制造出一個模具；而后將液體的PDMS和一種交聯(lián)劑混合在一起后涂抹到模具上，等待冷卻后就形成了一張薄膜； 后再將兩種獨有金屬電極的高分子聚合物薄膜銦錫氧化物（ITO）與聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜貼合在一起，形成三明治結(jié)構(gòu)。實驗證實這種具有微結(jié)構(gòu)陣列的摩擦電發(fā)電機的輸出電壓可達(dá)18伏，每平方厘米可產(chǎn)生0.13微安的電流，峰值電流可達(dá)0.7微安。
由于這種摩擦電發(fā)電機采用透明的柔性材料制造，未來它將有望取代目前普遍使用的觸摸顯示裝置。此外，柔性摩擦電發(fā)電機可以用作高靈敏度壓力傳感器。研究人員稱，這種壓力傳感器敏感，即便是落下的水滴或是飄落的羽毛這樣的微小壓力也會被準(zhǔn)確地“感覺”到，該裝置有望在有機電子材料和光電系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。
研究人員稱，這種微型發(fā)電機制造工藝簡單，成本低廉，能很方便地進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的應(yīng)用。同時它還具有極好的耐久性和可加工性，可輕松融入其他產(chǎn)品的設(shè)計當(dāng)中。
王中林說：“摩擦無處不在，這賦予了柔性摩擦電發(fā)電機廣泛的應(yīng)用前景。但它并不會將我們之前發(fā)明的氧化鋅納米發(fā)電機取而代之，它們各有優(yōu)勢，在很多方面能并存且相互補充。”
這項柔性摩擦電發(fā)電機研究由美國 科學(xué)基金會、美國能源部和美國空軍贊助。相關(guān)論文發(fā)表在6月出版的《納米快報》雜志上。
