固-液界面的摩擦起電行為是表界面的重要性質(zhì)之一，和界面摩擦與潤滑狀態(tài)、雙電層的形成、能量耗散過程等密切相關(guān)，但其內(nèi)在工作機(jī)制仍存在許多未解之謎。實(shí)現(xiàn)原位動態(tài)監(jiān)測是揭示其界面起電行為的重要技術(shù)手段之一。

　　近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王道愛研究員團(tuán)隊在固-液界面摩擦電機(jī)理與監(jiān)測研究方面取得了系列成果。

圖 1. 水滴彈跳位移與其起電行為之間的聯(lián)系研究

　　研究人員將高速攝像機(jī)和電學(xué)信號檢測設(shè)備集成在一起（圖 1），實(shí)現(xiàn)了水滴的運(yùn)動狀態(tài)和摩擦起電行為的同步關(guān)聯(lián)檢測，原位動態(tài)地呈現(xiàn)了水滴在疏水表面完整運(yùn)動過程(靠近、接觸、鋪展、反彈、離開)的帶電現(xiàn)象，建立起水滴運(yùn)動狀態(tài)與其摩擦起電行為之間的聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)，固液界面的摩擦起電信號的大小、極性和持續(xù)時間依賴于水滴彈跳動力學(xué)。研究人員定量研究了水滴的鋪展速率/回縮速率與其帶電行為之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)韋伯?dāng)?shù)的增大使水滴有更大的鋪展面積和鋪展速率，從而導(dǎo)致更高的電信號。

　　研究人員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(xué)與其產(chǎn)生的電信號之間的關(guān)聯(lián)（圖 2），利用電信號追蹤不同濃度聚合物液滴的彈跳細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)藥霧滴在葉片表面的粘附、潤濕、彈跳等行為的電信號數(shù)字化表達(dá)，為智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測提供了新思路。

　　鑒于此，研究人員設(shè)計了一種單電極滴水起電器（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一種有效方法（ Advanced Energy Materials, 2023, 2303298）。固-液接觸起電行為與雙電層的性質(zhì)密切相關(guān)。雙電層模型從最初的 Helmholtz模型發(fā)展至“兩步形成”模型，再到引起摩擦離子電子學(xué)的跨學(xué)科研究，其機(jī)理和應(yīng)用在不斷完善，促進(jìn)并拓展了固-液界面性質(zhì)的深入研究和未來的應(yīng)用范圍。如何將摩擦起電與界面的摩擦和潤滑深度結(jié)合起來，發(fā)展新的摩擦調(diào)控手段將會是未來的重點(diǎn)研究方向。

圖 2. 不同濃度聚合物液滴彈跳起電及其在傳感檢測領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計

圖 3. 外置單電極式滴水起電設(shè)計及雙電層原理

　　以上結(jié)果以“ Visualization of Charge Dynamics when Water Droplets Bounce on a Hydrophobic Surface”和“ Triboiontronics based on dynamic electric double layer regulation”為題發(fā)表在 ACS nano（ https://doi.org/10.1021/acsnano.3c08742）和 Matter（ 2023, 6, 11, 3698）上。李小娟助理研究員和張立強(qiáng)助理研究員分別為文章的第一作者。

　　以上工作得到了國家自然科學(xué)基金項目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項和甘肅省重大科技專項等的支持。