科研人员在固液界面摩擦起电研究获新进展

摩擦起电是界面摩擦过程中普遍存在的一种物理现象，其电荷积累易导致表面带电。特别是对含油界面，界面静电原位复合被抑制，静电积累加剧，易导致油品积碳和加速氧化失效，其危害不容忽视。固-液界面摩擦起电的机理复杂，既受控于界面双电层的性质，又受控于液体在固体表面的润湿行为与界面性质，这为开展固液界面摩擦起电机理与静电防护研究带来极大挑战。

近年来，中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室王道爱研究员团队，将摩擦学研究与界面摩擦电研究相结合，从宏观到微观，系统研究了界面摩擦电子产生与积累对材料性能的影响规律和调控机理，并研究了其在摩擦与润滑界面监测、输运管道预警、摩擦调控等领域的初步应用。

影响固液界面摩擦起电的因素众多，导致人们对其机理与本质的认识未完全统一。该团队通过建立固液界面的新模型，探究了摩擦起电机制与界面双电层的内在关系，研究了温度耗散、液体离子浓度、pH导致的反离子吸附、表面组分等因素的影响，揭示了电子转移和离子转移在固-液界面起电中的共同作用（图1）。为进一步通过调控润滑介质组分实现机械装备中摩擦界面的静电防护提供了理论和技术支持。此外，研究人员还系统研究了油-固摩擦界面的摩擦起电行为，揭示了油润滑界面摩擦起电与润湿性的关系，阐释了润滑油性质与摩擦起电的关系，设计了基于摩擦电的润滑品静电预警及油润滑界面乏油状态预警系统。相关研究成果发表在Nano Energy（2022, 104, 107900;2022, 104, 107930; 2020, 78, 105370）和 Tribology International（2022, 165, 107323）上。

图1 固-液界面摩擦起电示意图及影响因素

表面润湿行为是影响固液摩擦起电的另一重要因素。该团队通过设计材料表面结构、组分、界面接触等因素，系统探究了固-液界面润湿性、黏附和界面接触与摩擦起电的相互关系。通过固-液摩擦起电准确地量化和跟踪了润湿动力学（图2），进而原位揭示了表面微观结构调控润湿转变行为的机制。此外，研究人员还根据PCL构象变化与摩擦电学行为之间的密切相关性，利用液-固摩擦电信号研究了两亲性聚合物的表面重构行为，探索了其在界面润湿性监测和智能润滑检测等领域中的潜在应用。相关成果发表在Advanced Science (2022, 9, e2200822)、Advanced Functional Materials（2021, 31, 2010220; 2019, 29, 1903587）上。

图2 固-液界面摩擦起电解析胡模型与润湿性转变跟踪

近日，该团队利用一种类似文丘里管的结构，通过耦联摩擦起电效应与击穿放电效应，创新性地研究了气体-液体两相流与固体界面的摩擦起电行为。研究人员利用流体的流变学性能，解决了固-液在摩擦起电收集过程中接触面积小、接触分离速度、输出性能低等问题，实现了用1.0 mL水获得3789V和867μA瞬时电流和电压输出的新纪录，分别是传统设计的1890和430倍（图3）。在微观的电荷转移机理方面，基于密度泛函理论（DFT）建立模型对固-液界面的电荷转移进行仿真模拟，利用专业的流体仿真软件和高速摄像机对气液两相流在固体器件内的动力学特性进行分析。该研究对认识多相流与固体界面之间的摩擦起电行为以及机械运动过程中高速油液的静电防护具有重要意义。该研究工作以“Gas-liquid two-phase flow-based triboelectric nanogenerator with ultrahigh output power”为题发表在Science Advances（2022, 8, eadd0464）上。

图3 气体-液体两相流摩擦起电机制研究示意图

上述工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院先导B培育等项目的支持。