从下落的水滴中收集能量

本文选自《物理》2020年第10期

(中国科学院理化技术研究所 戴 闻 编译自 Siddharth Rajupet，Daniel J. Lacks. Physics，August 12，2020)

两个世纪前，考古学家在古巴比伦废墟中的挖掘，得到了一个有趣的发现——追溯到公元前约1800年，用楔形文字书写的粘土碑。这些碑文包括对迷信行为的描述，神职人员通过倾倒在水上的油形成的图样，预言未来。这篇古文代表了已知最早的关于疏水效应的参考文献。现在两个独立的现代科学家团队已经使用这个想法，开发了非常有效的没有移动部件的纳米发电机。使纳米发电机有效的关键技术是利用疏水效应。

在巴比伦人提到疏水效应大约1500年后，在古雅典，柏拉图在他的对话录 Timeaus 中推测了许多物理现象的性质，包括“水的流动、雷电，以及观察到的奇特的琥珀吸引”。“琥珀吸引”起因于我们现在所说的摩擦带电，当两个表面相对并相互摩擦，发生静电起电。当时柏拉图不知道，“雷电”是由于云中冰晶摩擦起电后所积累的能量爆发。摩擦带电和放电现象以及水的流动行为，是新型纳米发电机设计的关键思路。

新的纳米发电机工作原理如下：水滴落在覆盖于导电板之聚四氟乙烯介电薄膜上。摩擦带电发生在液滴撞击表面时，撞击使液滴带正电，聚四氟乙烯表面带负电。聚四氟乙烯上表面的负电荷在其下表面的导体上感应出正电荷，以介电聚四氟乙烯膜为介质形成电容器。虽然每个液滴的电荷转移很小，但聚四氟乙烯表面的总电荷在接触许多液滴后积累起来。电荷最终饱和，导致电容器携带大量的能量，可以用来为设备供电。除了使聚四氟乙烯表面带电外，水滴还起着另一个作用。当每个液滴在聚四氟乙烯表面扩展时，它暂时接触位于表面上方的某一电极，在聚四氟乙烯表面和电极之间形成导电桥。该电极还与作为电容器底板的带电导体连接。因此，每个液滴都作为一个开关，使电容器逐步放电，以产生一个电流，为负载供电。

传统摩擦电纳米发电机的问题在于：为了使用存储的能量，如果一个电容器被放电，则需要许多后续的液滴接触来充电。以前的纳米发电机没有电容器，而是将每个液滴的能量转换为电流。这样的装置可以工作，但只产生很少量的电流。

现在，香港城市大学和中国科学技术大学的 Wanghuai Xu 和他的同事，巧妙地利用疏水效应，在每次放电后自动为电容器充电。在疏水表面，如聚四氟乙烯，水倾向于“呈珠状”，导致与表面的接触面积很小。然而，当下落的液滴第一次到达表面时，它的垂直动能被转化为径向动能，从而使其扩展。如上所述，扩展导致液滴接触电极并使电容器放电。此外，这种扩展增加了液滴的势能——因为液滴和表面之间的疏水相互作用，就像拉紧弹簧一样。在径向动能丧失后，这种势能导致扩展液滴退化并珠化。当液滴退化时，电容器就会充电。随着液滴的收缩，其减小的尺寸增加了其表面电荷密度，反向驱动电流给电容器充电。

新设备利用水滴在疏水表面上的“呈珠状”优势，为电容器充电并存储能量

这些最近的进步是令人兴奋的，因为它们作为纳米发电机可以从环境能源(例如雨滴)收获足够的电力来为小型电子设备充电。例如，纳米发电机可以被有效地应用在远程为偏远地区的传感器供电。

令人惊讶的是，经过2000多年的发展，我们对摩擦带电的了解并不比柏拉图的含糊概念了解得多。当两个表面接触并带静电时，这些“物体”界面中被推来推去的是什么？我们不知道答案——它们可能是电子或某种离子。我们不知道什么材料特性会“推动”电子或离子从一个表面到另一个表面。我们不明白摩擦在摩擦带电中起什么作用，它只是增加接触的表面积，还是提供能量来“划分”电荷？

当我们谈及摩擦起电时，我们通常会想到：在两个固体表面之间带电。然而，液—固摩擦带电，就像在上述纳米发电机中那样，可能比固体—固体充电更简单、更可控。另一方面，液体变形有助于与固体表面充分接触，它们的流动避免了对界面键的集中破坏力。也许液体—固体摩擦带电将是进行更精密实验控制的关键，这些实验最终将揭开摩擦带电的奥秘。