《力学园地》编辑部：

    两年前，曾在你们的《力学园地》里读到一篇题为《两张小小的塑料片是如何测脉搏的呢？》文章，其中有涉及摩擦纳米发动机的内容，我非常感兴趣。能否再做一些深入的说明呢？

一名研究生

2025年5月

从摩擦起电到摩擦发电——浅谈摩擦纳米发电机

怡心

21世纪以来，摩擦纳米发电机出现在人们的视野中。它和我们知道的电磁感应发电机不同，不是利用磁场的变化来发电的，而是基于摩擦起电和静电感应两种效应将机械能转化为电能的。由于质量轻、体积小、选材广、价格低等优势，特别是能够有效地从环境中收集在人们日常生活中广泛存在但被废弃的机械能（甚至包括脉搏、脚步的微小能量），因而近年来摩擦纳米发电机技术已演变成一个热门的研究领域。

其实，在日常生活中，当我们进行诸如梳头发、穿衣服及开房门等动作时，都可以感受到摩擦起电现象。这是指两种不同材料发生接触摩擦后，表面会携带电荷的现象。摩擦起电效应早在公元前六世纪就被发现了，但是多年来人们只是认为它对生活带来不便，甚至会造成粉尘爆炸、电介质击穿等公共危害事件。但是，王中林院士及其合作者在2012年成功地翻转了摩擦起电效应的负面形象，发明了一种新型的发电机——摩擦纳米发电机。装有这种发电机的传感器，它不仅具有能源收集功能，还可以感知环境因素的变化，由于自身能够发电，所以这类传感器不需外部电源即可以工作，被称作为“自驱动传感器”。在《力学园地》里，张懋熠介绍的基于力学杠杆式摩擦纳米发电机的自供电脉搏传感器，就是这种应用的实例（发布时间：2022-09-23）。这种技术对于未来物联网的发展具有重要的意义，因为物联网需要应用海量的传感器和微型器件，如何给它们充电便成为了一个难题。而摩擦纳米发电机就是解决这个难题的一把上方宝剑。

现在先简要说一下摩擦纳米发电机是什么样子的吧。在图1的示意图中，我们看到它是由镀有金属电极（用黄色表示）的两种高分子聚合物薄膜（分别用黑色和棕色表示）贴合在一起制成的。这两层聚合物薄膜的厚度为100微米的量级，而金属电极的厚度为100纳米的量级，怪不得人们把它们称之为“纳米发电机”！在外力作用下，薄膜会产生机械变形（例如弯曲，bending），两层薄膜之间便发生摩擦从而产生静电荷。显然，薄膜上产生静电荷的数量越多，发电的效率就越高，所以需要认真地选择薄膜材料。科学家通过大量的研究，建立起摩擦电序列表，给出了不同材料经过接触后表面所能够携带正、负电的相对能力。在这张表中序列相距越远的两种材料，摩擦起电的能力越强，产生的静电荷越多。这样，经过摩擦，一个薄膜表面的电子转移至另一个薄膜表面，因此携带正电荷，而另一个薄膜上携带了负电荷。由于静电感应效应，金属电极上就会产生感应电荷，正负极性与聚合物静电荷的相反。如果电极间连接有负载（或者短路），自由电子可以在外电路里流动，或者说，自由电子便释放（Releasing）出来了，这样便形成电流，于是弯曲的机械能就转化为电能了。弯曲动作完成之后，薄膜便恢复原状（Recovering），一个发电周期完结。图1中给出了电流信号（Signal）随时间（time）的变化情况。

图1 典型摩擦纳米发电机示意图(图片来源：网络)

那么，什么是“静电感应”呢？它是在外电场作用下，导体内部电荷重新分布的现象。具体而言，一个带电的物体与不带电的导体相互靠近时，导体内部的异种电荷被吸引到带电体附近，而同种电荷被排斥到远离带电体的导体另一端。这个现象由英国科学家约翰·坎顿和瑞典科学家约翰·卡尔·维尔克分别在1753年和1762年发现。摩擦纳米发电机的工作原理就是摩擦起电和静电感应这两种效应的耦合。

摩擦纳米发电机具有高电压、低电流而且在低频下具有高效率的特点，这和常规的电磁感应发电机的特点正好相反，因为它们发电的机制不同。王中林院士的研究团队曾经对电磁感应发电机（EMG）和摩擦纳米发电机（TENG）进行过比较研究，给出了这两种发电机在不同的工作频率下开路电压V_oc和短路电流I_sc随着激励幅度（Amplititude）改变的变化曲线（参见图2）。可以看到，摩擦纳米发电机的开路电压很高，但短路电流很小，所以它适宜收集低频率、微小幅度的机械能。此外，不难发现：摩擦纳米发电机的开路电压随着激励幅度的增加先迅速增加然后达到饱和。这些对于摩擦纳米发电机的设计与制备都是需要考虑的因素。

图2 两种发电机开路电压和短路电流随激励幅度的变化规律（图片来源：文献[2]）

摩擦纳米发电机有四种基本工作模式（参见图3）。它们分别是：垂直接触分离模式（Vertical contct-seperation mode），水平滑动模式（Lateral sliding mode），单电极模式（Single-electrode mode）和独立摩擦介质层模式（Freestanding-triboelectric-layer mode）。至于采用哪种模式，要依据具体工作场景的需要来选定。当然，现在科学家还利用液体来取代传统的固体当作接触材料，例如直接利用环境中的水当作接触材料来设计液体-固体摩擦纳米发电机，可大大简化元件结构，并且广泛使用于收集环境中各式的水能量，如海浪、河流、雨滴等等。

图3 摩擦纳米发电机的四种基本工作模式（图片来源：文献[1]）

摩擦纳米发电机最常见的工作模式是接触分离式，这种工作模式的优点是：设计和制备简洁，瞬时输出功率高，易于实现多层集成。它通常采用一个外加的机械冲击力来驱动，影响其输出电压的主要因素是分离距离，影响其输出电流的主要因素则是接触分离的速度。接触分离式摩擦纳米发电机的工作程式如图4所示。在初始阶段I（Origin），聚合物（Polymer）的两个薄膜I和II处于分离状态，均没有携带电荷，两个电极片上也没有感应电荷。在阶段II，在外力作用下，聚合物薄膜I和II被压合在一起（Pressed），两个表面形成了物理接触。由于摩擦起电效应，各自携带了数量相等、极性相反的静电荷。由于聚合物是电介质绝缘材料，这些电荷不会中和或导出，它们在交界面处形成一个偶极层。这时，正负静电荷相互屏蔽，没有电势差，电极上也没有感应电荷。在阶段III，外力开始释放（Releasing），由于材料自身的弹性，聚合物薄膜I和II彼此分离，两个表面处的正负静电荷不能互相屏蔽，产生一个电势差，同时电极上便形成感应电势差。当外电路断开时，这个感应电势差就是发电机的开路电压V_oc。当外电路通过一个负载（Load）接通时，感应电势差会导致一个从底部电极（在聚合物薄膜II的下方）流向顶部电极（在聚合物薄膜I的上方）的瞬态电子流I，来平衡静电场。如果两个聚合物薄膜分离达到某个距离值（阶段IV）时，两个电极上积累了足够多的静电感应电荷，可以抵消聚合物薄膜的电势差，系统就达到了平衡，外电路中就没有电流了，这样一个正向的电流脉冲就形成了。当再次施加外力（阶段V）时，两个薄膜之间的距离减小，它们的电势差逐渐减小。为了平衡这个电势差，顶部电极上静电感应生成的负电荷会流向底部电极，从而在外电路形成一个负向的电流脉冲，直到两个聚合物薄膜的表面又重新接触，电势差又变为零，外电路再次没有电流。因此，在这样一个工作循环过程中，先后产生了一个正向电流脉冲和一个负向电流脉冲，这就是一个交流电信号（参见图5右上角的电流I_sc随时间time的变化曲线所示）。只要外力不断地反复作用，使薄膜反复地接触与分离，就可以形成持续的交流电输出了。

图4 接触分离式摩擦纳米发电机的工作程式（图片来源：文献[1]）

基于以王中林院士为代表的一大批科学家的研究开发，摩擦纳米发电机主要在以下四个方面有着广泛的应用前景：（1）微纳能源，可用于小型、分布式和可穿戴电子设备的电源；（2）自驱动传感，可应用于物联网、人工智能、大数据和传感器网络；（3）高压电源，可应用于质谱、电子场发射等场合；（4）蓝色能源，可以利用来自海浪的能量（蓝色能量），这是一个场景比较大的应用。

希望这篇文字能够帮到你，起到“释疑解惑”的作用。

参考文献

[1] Jianjun Luo, Zhong Lin Wang,* Recent progress of triboelectric nanogenerators: From fundamental theory to practical applications, EcoMat. 2020; 2: e12059.
原文链接：https://doi.org/10.1002/eom2.12059

[2] Junqing Zhao, Gaowei Zhen, Guoxu Liu, Tianzhao Bu, Wenbo Liu, Xianpeng Fu, Ping Zhang, Chi Zhang, Zhong Lin Wang. Remarkable merits of triboelectric nanogenerator than electromagnetic generator for harvesting small-amplitude mechanical energy.Nano Enegy, 2019 ( DOI：10.1016/j.nanoen.2019.04.047)