可拉伸摩擦電納米發電機（TENG）是一種用于各種柔性電子設備的電源供應的有效方法。然而，彈性摩擦電材料的具體起電機理仍不清晰。本文發現應變和低溫誘導的結晶行為會導致常用摩擦電彈性體的摩擦電序列發生變化，甚至摩擦電極性發生逆轉，研究將這種效應歸因于分子鏈結晶過程中表面電子云密度的重排。這項研究表明，在不同應變和不同溫度下，摩擦電材料的帶電極性應該被重新測量，提供了一種不同于往常對彈性摩擦電材料的理解機制。
近期，中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士和陳翔宇研究員團隊通過研究天然橡膠（NR）、聚丙烯酸酯（VHB）和硅橡膠（Ecoflex）在拉伸狀態下的起電情況，總結了結晶對于起電性能的影響。首先通過測量接觸界面上的飽和電荷密度發現，三種彈性體在拉伸過程中表現出完全不同的變化趨勢。在與FEP接觸的過程中，NR的電荷密度隨著應變的增加而顯著降低，而與尼龍接觸時，飽和電荷密度則隨著拉伸逐漸增加，這證明天然橡膠在摩擦起電中的位置向更負的位置移動了，而在Ecoflex和VHB薄膜中無法觀察到類似的效果。隨后通過測量同種薄膜自身拉伸前與拉伸后接觸起電的情況，判斷NR在摩擦電序列中的位置確實發生了變化。為了保證測量的準確性，每組都進行了十次以上的重復，并且所有的薄膜都在測試前放入真空干燥箱在70℃的條件下干燥3小時，然后再進行拉伸操作。
圖1：NR，Ecoflex和VHB拉伸前后的接觸起電性能
圖2：NR拉伸前后摩擦電序列移動原理
對于在常溫下拉伸并不能改變起電性能的硅橡膠來說，低溫下Ecoflex分子鏈的運動能力降低，更容易發生結晶效應。因此，在-50?C的溫度條件下來研究Ecoflex的接觸帶電能力。Ecoflex在-50?C和20?C下與不同材料接觸的實驗結果顯示，在低溫下，Ecoflex和尼龍的飽和電荷密度降低，而Ecoflex和FEP的飽和電荷密度增加，表明結晶后的Ecoflex在摩擦電序列上的位置向正方向移動。此外，當對Ecoflex薄膜施加應變時，在摩擦電序列中的這種變化更為明顯，這證明拉伸和低溫都能促進Ecoflex薄膜的結晶。紅外光譜結果顯示，隨著溫度的降低，Si-O在1097cm-1處的拉伸振動峰逐漸增強；DFT計算結果顯示，在整個分子中，O原子是靜電勢的最低點。由此證明分子鏈在低溫下的結晶導致更多的Si-O鍵在表面區域累積，進而導致Ecoflex在摩擦電序列中的正向移動。而在以前的研究中忽略了不同應變和溫度下極性的變化，所以基于本研究也提出了一種改進的方法來評估彈性摩擦材料的方法。
在這項工作中，研究了三種常見的彈性體在不同應變下的摩擦帶電性能。結果表明，除了有效接觸面積的變化外，應變和溫度變化引起的結晶也會引起摩擦電系的位移。應變誘導的分子鏈結晶可以在分子取向上產生顯著而有序的變化，從而導致在摩擦電序列中的位置移動甚至產生極性反轉。根據表面電子云密度可以很好地解釋這種效應，分子取向的變化導致表面官能團的重排，從而導致表面電子云密度的變化，最終改變材料在摩擦電序列中的極性，并且低溫條件下這種影響更是不可忽略，這對低溫TENG的研究具有很好的指導意義，對于超低溫下自驅動設備的研究有著重要在意義。本研究有助于闡明彈性體的分子空間取向對其宏觀電學性能的貢獻，從而進一步推動可拉伸TENG作為可穿戴電子設備能量采集器或有源傳感器的研究。文章發表在《Nano Letters》上，第一作者是北京納米能源與系統研究所博士生劉兆琦，王中林院士和陳翔宇研究員是共同通訊作者。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c00767
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