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聶雙喜教授團(tuán)隊(duì) Adv. Funct. Mater.：摩擦電探針新成果
2023-07-07  來(lái)源：高分子科技


  液固接觸起電是一種經(jīng)典的物理現(xiàn)象，也是分析流體狀態(tài)的重要途徑。摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的發(fā)明實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)液固發(fā)電機(jī)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的瞬時(shí)輸出，是研究液固接觸起電現(xiàn)象的先進(jìn)工具。利用TENG開(kāi)發(fā)新型的摩擦電探針，它可以短時(shí)間內(nèi)原位計(jì)算液固接觸時(shí)的電荷量，這對(duì)于檢測(cè)液固界面的電荷轉(zhuǎn)移也是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。然而，液固接觸起電是一個(gè)十分復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，極易受溶液中離子含量、pH和分子氫鍵的干擾，尤其是對(duì)于成分復(fù)雜的混合流體。解析基于混合溶液的液固接觸起電現(xiàn)象，并提升摩擦電探針在多種液體環(huán)境中的應(yīng)用潛力，一直是TENG領(lǐng)域由基礎(chǔ)研究邁向產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中極具挑戰(zhàn)且十分迫切的研究方向。


  近日，廣西大學(xué)劉濤等人利用摩擦電探針研究了蔗糖溶液的液固接觸起電過(guò)程，提出了流體力學(xué)狀態(tài)、分子間氫鍵以及離子吸附的混合干擾機(jī)制。利用摩擦電探針對(duì)蔗糖溶液梯度式的電信號(hào)反饋，從而實(shí)現(xiàn)了蔗糖濃度的高效傳感（靈敏度為-0.0038%-1，同時(shí)響應(yīng)時(shí)間為90 ms）。這項(xiàng)成果以題為“Liquid-Solid Triboelectric Probes for Real-Time Monitoring of Sucrose Fluid Status”發(fā)表在了《Advanced Functional Materials》上，2022級(jí)博士生劉濤為本研究第一作者，聶雙喜教授和陸登俊副教授為通訊作者，莫文鳳、鄒雪蓮、羅斌、張松、劉艷華、蔡晨晨、遲明超、王金龍參與研究。


1. 摩擦電探針的設(shè)計(jì)


  液固摩擦電探針如圖1所示，將高電子親和力的FEP薄膜作為使液滴帶電的介電質(zhì)基材，并在FEP薄膜的頂部、底部表面上分別貼敷銅電極作為電荷采集端，銅針（直徑為100 μm）從頂部電極中心處引出。當(dāng)溶液與FEP接觸時(shí)，由于水分子與FEP的電子親和力不同，水分子的電子傾向于向FEP轉(zhuǎn)移，這個(gè)過(guò)程導(dǎo)致液滴帶電。隨著液滴滑落，分別依次接觸摩擦電探針的頂部針電極及底部銅電極，依次實(shí)現(xiàn)了液滴中負(fù)電荷和正電荷的分離。 


圖1. 摩擦電探針的工作原理。


2. 關(guān)鍵證據(jù)1：流體力學(xué)特征


  在以往的研究中，液滴式的摩擦電探針易受液滴體積的影響。這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，蔗糖的溶解改變了溶液的流體力學(xué)特征，將直接影響著摩擦電探針的探測(cè)液固界面電荷轉(zhuǎn)移的準(zhǔn)確性。根據(jù)典型的Harkins理論計(jì)算，明確了液滴體積（Vt）主要由溶液密度（ρ1）和表面張力（σ）共同決定。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)了蔗糖濃度對(duì)液滴體積的影響。對(duì)于多元混合溶液，其流體力學(xué)特征往往與水溶液有很大區(qū)別，尤其是對(duì)于表面張力和粘度變化特別大的混合溶液。這項(xiàng)研究首次揭示了混合溶液流體力學(xué)特征對(duì)摩擦電性能的影響機(jī)制，為摩擦電探針應(yīng)對(duì)復(fù)雜溶液的檢測(cè)提供關(guān)鍵科學(xué)支撐。 


圖2. 溶液流體力學(xué)對(duì)摩擦電性能的影響。


3. 關(guān)鍵證據(jù)2：分子間氫鍵作用力


  在以往的研究中，普遍認(rèn)為氫鍵作用是抑制液固接觸電荷轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵因素。通過(guò)密度泛函理論分析，發(fā)現(xiàn)蔗糖分子中羥基的電位高于水分子，這意味著蔗糖更容易與水分子形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)破壞水分子之間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。并通過(guò)FT-IR驗(yàn)證了分子間氫鍵的形成。結(jié)合前人的研究可以得出結(jié)論，蔗糖分子與水分子形成分子間氫鍵，牽引并阻止水分子參與液固界面的電荷轉(zhuǎn)移，從而抑制了摩擦電探針可檢測(cè)的電荷量。 


圖3. 分子間氫鍵對(duì)摩擦電性能的影響。


4. 關(guān)鍵證據(jù)3：離子吸附與離子屏蔽


  這項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)，蔗糖濃度的提升導(dǎo)致溶液微弱向酸性變化且電導(dǎo)率上升。這意味著蔗糖的溶解促進(jìn)了水的電離，釋放了更多氫離子。在溶液中，離子的體積遠(yuǎn)比分子小，因此離子更容易通過(guò)吸附固定至液固界面處，阻礙水分子與FEP電荷轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生電荷屏蔽效應(yīng)。 


圖4. 離子吸附對(duì)摩擦電性能的影響。


5. 基于摩擦電探針的蔗糖流體在線(xiàn)檢測(cè)裝置


  基于上述三方面的研究結(jié)論，可以明確蔗糖的溶解導(dǎo)致摩擦電探針產(chǎn)生梯度式的電信號(hào)反饋。因此，摩擦電探針可以作為一種傳感性能優(yōu)異的濃度檢測(cè)工具。分別探究了摩擦電探針在有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)模式下，對(duì)蔗糖濃度的傳感性能。有線(xiàn)模式下，摩擦電探針對(duì)蔗糖濃度傳感的靈敏度為-0.0038%-1，響應(yīng)時(shí)間為90 ms。無(wú)線(xiàn)模式下，摩擦電探針依然可以實(shí)現(xiàn)蔗糖濃度以及流體狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。 


圖5. 用于檢測(cè)蔗糖濃度的智能傳感器。


  本研究報(bào)道了一種可用于檢測(cè)蔗糖流體濃度的摩擦電探針。研究結(jié)果表明，蔗糖溶液影響液固接觸電性能的原因可能有三個(gè)方面。首先，蔗糖的溶解改變了溶液的流體力學(xué)特性，減小了液滴尺寸和液固接觸面積。其次，蔗糖分子與水分子形成氫鍵，從而阻礙了與固體發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移的數(shù)量。最后，蔗糖的加入增加了溶液中的離子含量，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的電荷屏蔽效果。基于以上發(fā)現(xiàn)，該摩擦電探針已成功應(yīng)用于蔗糖濃度傳感，獲得了優(yōu)異的傳感靈敏度（-0.0038%-1）和響應(yīng)時(shí)間（90 ms）。該摩擦電探針還應(yīng)用于蔗糖液的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蔗糖濃度和流體狀態(tài)的實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)傳感。這項(xiàng)工作有助于理解溶液微觀(guān)特征與宏觀(guān)摩擦電性能之間的構(gòu)效關(guān)系，并為構(gòu)建可持續(xù)的智能傳感器提供了有前景的解決方案。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202304321

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（責(zé)任編輯：xu）
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