【儀表網 研發快訊】固-液界面的摩擦起電行為是表界面的重要性質之一，與界面摩擦與潤滑狀態、雙電層的形成、能量耗散過程等相關，但內在工作機制存在較多未解之謎。實現原位動態監測是揭示其界面起電行為的重要技術手段之一。中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室研究員王道愛團隊，在固-液界面摩擦電機理與監測研究方面取得了系列成果。
該團隊將高速攝像機和電學信號檢測設備集成在一起(圖1)，實現了水滴的運動狀態和摩擦起電行為的同步關聯檢測，原位動態地呈現了水滴在疏水表面完整運動過程(靠近、接觸、鋪展、反彈、離開)的帶電現象，建立起水滴運動狀態與其摩擦起電行為之間的聯系。研究發現，固液界面的摩擦起電信號的大小、極性和持續時間依賴于水滴彈跳動力學。研究定量探討水滴的鋪展速率/回縮速率與其帶電行為之間的關系，發現韋伯數的增大使水滴有更大的鋪展面積和鋪展速率，導致更高的電信號。
研究通過在水中添加微量的聚氧化乙烯，配制不同濃度的聚合物溶液，建立起聚合物液滴彈跳動力學與其產生的電信號之間的關聯(圖2)，利用電信號追蹤不同濃度聚合物液滴的彈跳細節，實現了農藥霧滴在葉片表面的粘附、潤濕、彈跳等行為的電信號數字化表達，為智慧農業監測提供了新思路。
鑒于此，科研人員設計了單電極滴水起電器(圖3)，可將一滴水摩擦起電電流從微安提高到毫安級別，為水能的高效收集利用提供了有效方法(Advanced Energy Materials)。固-液接觸起電行為與雙電層的性質相關。雙電層模型從最初的Helmholtz模型發展至“兩步形成”模型，再到引起摩擦離子電子學的跨學科研究，其機理和應用在不斷完善，促進并拓展了固-液界面性質的深入研究和未來的應用范圍。如何將摩擦起電與界面的摩擦和潤滑深度結合起來，發展新的摩擦調控手段將是未來的重點研究方向。
相關研究成果分別以Visualization of Charge Dynamics when Water Droplets Bounce on a Hydrophobic Surface和Triboiontronics based on dynamic electric double layer regulation為題，發表在ACS nano與Matter上。研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項和甘肅省重大科技專項等的支持。
圖1. 水滴彈跳位移與其起電行為之間的聯系研究
圖2. 不同濃度聚合物液滴彈跳起電及其在傳感檢測領域的應用設計
圖3. 外置單電極式滴水起電設計及雙電層原理
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