科學家開發透明柔性摩擦電發電機問世
2012-07-13
中國科技網訊 據物理學家組織網7月10日報道，由美國佐治亞理工學院的科學家領導的一個研究小組稱，他們日前開發出了一種透明的柔性摩擦電發電機。這種微型發電機能將散步這樣的機械能轉化為電，能“感覺”到一根羽毛飄落下來產生的壓力，能用來制造自供電的觸摸屏，在電子產品、環境監測以及醫療設備制造等領域具有巨大的應用潛力。
摩擦電是自然界中最常見的一種現象之一，無論是梳頭、穿衣還是走路、開車都能遇到。但同時它們又很難被收集和利用，因此也往往被人視而不見。在新研究中，由美國佐治亞理工學院教授王中林領導的研究小組，借助柔性高分子聚合物材料成功地將摩擦轉化成為了可供使用的電力。
這種摩擦電發電機依靠摩擦點電勢的充電泵效應，通過聚酯纖維薄片與聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄片的摩擦來產生電力。借助一種分離技術，當摩擦發生時，兩層聚合物薄膜之間產生電荷分離并形成電勢差，經由外部電路即可形成電流。在摩擦中，聚酯纖維產生電子，聚二甲基硅氧烷則負責接收電子。此外，外部的按壓產生的機械形變也能使它們發生摩擦產生電力。
雖說光滑的表面在相互摩擦時也能產生電荷，但這些電荷的數量并不能滿足應用的需要。于是王中林和他的團隊通過改變摩擦表面圖案的方式來產生更大的電流。研究人員分別對線條、立方體和金字塔三種圖案進行了測試，結果發現金字塔圖案的表面在摩擦時加速了電荷的形成，更利于電荷的分離，能產生最多的電流，極大地提高摩擦電發電機的效率。
為了制造這種微型摩擦電發電機，研究人員首先借助光刻和蝕刻工藝，用硅片制造出一個模具;而后將液體的PDMS和一種交聯劑混合在一起后涂抹到模具上，等待冷卻后就形成了一張薄膜;最后再將兩種獨有金屬電極的高分子聚合物薄膜銦錫氧化物(ITO)與聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜貼合在一起，形成三明治結構。實驗證實這種具有微結構陣列的摩擦電發電機的輸出電壓可達18伏，每平方厘米可產生0.13微安的電流，峰值電流可達0.7微安。
由于這種摩擦電發電機采用透明的柔性材料制造，未來它將有望取代目前普遍使用的觸摸顯示裝置。此外，該摩擦電發電機還可以用作高靈敏度。研究人員稱，這種壓力傳感器非常敏感，即便是落下的水滴或是飄落的羽毛這樣的微小壓力也會被準確地“感覺”到，該裝置有望在有機電子材料和光電系統中獲得應用。
研究人員稱，這種微型發電機制造工藝簡單，成本低廉，能很方便地進行大規模生產的應用。同時它還具有極好的耐久性和可加工性，可輕松融入其他產品的設計當中。
王中林說：“摩擦無處不在，這賦予了摩擦電發電機廣泛的應用前景。但它并不會將我們之前發明的氧化鋅納米發電機取而代之，它們各有優勢，在很多方面能并存且相互補充。”
這項研究由美國國家科學基金會、美國能源部和美國空軍贊助。相關論文發表在6月出版的《納米快報》雜志上。
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