【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】固-液界面的摩擦起電行為是表界面的重要性質(zhì)之一，與界面摩擦與潤(rùn)滑狀態(tài)、雙電層的形成、能量耗散過(guò)程等相關(guān)，但內(nèi)在工作機(jī)制存在較多未解之謎。實(shí)現(xiàn)原位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是揭示其界面起電行為的重要技術(shù)手段之一。中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員王道愛(ài)團(tuán)隊(duì)，在固-液界面摩擦電機(jī)理與監(jiān)測(cè)研究方面取得了系列成果。
該團(tuán)隊(duì)將高速攝像機(jī)和電學(xué)信號(hào)檢測(cè)設(shè)備集成在一起(圖1)，實(shí)現(xiàn)了水滴的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和摩擦起電行為的同步關(guān)聯(lián)檢測(cè)，原位動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)了水滴在疏水表面完整運(yùn)動(dòng)過(guò)程(靠近、接觸、鋪展、反彈、離開(kāi))的帶電現(xiàn)象，建立起水滴運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與其摩擦起電行為之間的聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)，固液界面的摩擦起電信號(hào)的大小、極性和持續(xù)時(shí)間依賴于水滴彈跳動(dòng)力學(xué)。研究定量探討水滴的鋪展速率/回縮速率與其帶電行為之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)韋伯?dāng)?shù)的增大使水滴有更大的鋪展面積和鋪展速率，導(dǎo)致更高的電信號(hào)。
研究通過(guò)在水中添加微量的聚氧化乙烯，配制不同濃度的聚合物溶液，建立起聚合物液滴彈跳動(dòng)力學(xué)與其產(chǎn)生的電信號(hào)之間的關(guān)聯(lián)(圖2)，利用電信號(hào)追蹤不同濃度聚合物液滴的彈跳細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)藥?kù)F滴在葉片表面的粘附、潤(rùn)濕、彈跳等行為的電信號(hào)數(shù)字化表達(dá)，為智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)提供了新思路。
鑒于此，科研人員設(shè)計(jì)了單電極滴水起電器(圖3)，可將一滴水摩擦起電電流從微安提高到毫安級(jí)別，為水能的高效收集利用提供了有效方法(Advanced Energy Materials)。固-液接觸起電行為與雙電層的性質(zhì)相關(guān)。雙電層模型從最初的Helmholtz模型發(fā)展至“兩步形成”模型，再到引起摩擦離子電子學(xué)的跨學(xué)科研究，其機(jī)理和應(yīng)用在不斷完善，促進(jìn)并拓展了固-液界面性質(zhì)的深入研究和未來(lái)的應(yīng)用范圍。如何將摩擦起電與界面的摩擦和潤(rùn)滑深度結(jié)合起來(lái)，發(fā)展新的摩擦調(diào)控手段將是未來(lái)的重點(diǎn)研究方向。
相關(guān)研究成果分別以Visualization of Charge Dynamics when Water Droplets Bounce on a Hydrophobic Surface和Triboiontronics based on dynamic electric double layer regulation為題，發(fā)表在ACS nano與Matter上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和甘肅省重大科技專項(xiàng)等的支持。
圖1. 水滴彈跳位移與其起電行為之間的聯(lián)系研究
圖2. 不同濃度聚合物液滴彈跳起電及其在傳感檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計(jì)
圖3. 外置單電極式滴水起電設(shè)計(jì)及雙電層原理
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