自2012年被發(fā)明以來(lái)，摩擦納米發(fā)電機（Triboelectric Nanogenerator, TENG）發(fā)展成為能源收集的主流技術(shù)之一。由于TENG的工作原理是基于摩擦起電效應和靜電感應效應，TENG的開(kāi)路電壓很高。對于具有電響應特性的高內阻材料，TENG可以直接有效地驅動(dòng)或者精確控制它們，這是實(shí)現自驅動(dòng)智能系統的最直接的組合方式。對比其他自驅動(dòng)電壓電源，TENG具有結構設計靈活、成本低廉和選材范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，尤其在低頻機械能收集方向具有很大的應用前景。
近日，中國科學(xué)院北京納米能源與系統研究所在《先進(jìn)功能材料》雜志上發(fā)表特邀綜述，著(zhù)眼于可以被TENG的高輸出電壓直接驅動(dòng)的材料和器件，概述了已報道的各種可以與TENG成功結合的應用方向，包括介電彈性體、壓電陶瓷、鐵電材料等功能材料，靜電驅動(dòng)器、靜電空氣凈化器以及場(chǎng)發(fā)射和質(zhì)譜儀等智能器件。同時(shí)，文章總結了選擇材料和器件與TENG相互結合的關(guān)鍵因素，總結了TENG作為直接電源面臨的挑戰和對于該領(lǐng)域未來(lái)研究的展望。
以TENG為核心的自驅動(dòng)系統是納米能源所所長(cháng)、首席科學(xué)家王中林提出的納米能源領(lǐng)域包含的重要方向之一，而TENG與各種功能材料和系統的結合是實(shí)現自驅動(dòng)系統的最直接的方法，具有重要的研究?jì)r(jià)值。目前，在該方向上的主要進(jìn)展如下：①基于介電彈性體的人工肌肉、智能開(kāi)關(guān)、智能光柵等；②基于壓電陶瓷的微型光調制驅動(dòng)器；③基于鐵電材料的記憶裝置；④靜電操縱器用于驅動(dòng)和操縱微流體和微小物體；⑤靜電吸附和空氣凈化器；⑥電子激發(fā)、離子發(fā)生器和便攜式質(zhì)譜儀等。在選擇合適的技術(shù)與TENG結合的時(shí)候，研究人員傾向于選擇具有較高絕緣特性的材料和器件，可以很好地保持住TENG產(chǎn)生的靜電荷并且可以有效地利用TENG的高輸出電壓。其次，需要目標器件具有低功耗的特點(diǎn)，可以很好地配合TENG的輸出能力。最后，研究人員希望與TENG結合的技術(shù)具有獨特的功能，這樣可以豐富TENG的應用領(lǐng)域。
另一方面，以TENG為核心的自驅動(dòng)系統可以發(fā)展出許多獨特的功能。首先，TENG的自驅動(dòng)特性可以從各種場(chǎng)景中吸取能量，代替原有的電源，實(shí)現對便攜式的無(wú)源系統。其次，TENG可以瞬時(shí)把機械能轉化為電信號，實(shí)現人機交互的橋梁。此外，在高電壓器件的應用方向上，TENG有限的輸出電荷可作為一種高靈敏的自保護措施，在出現電擊穿等危險的時(shí)候快速降低輸出電壓，保護周?chē)娜梭w和器件。因此，傳統的電響應智能材料和器件，在與TENG結合之后可以誕生出很多新的和有應用價(jià)值的功能。隨著(zhù)TENG性能的不斷提高，以及在應用領(lǐng)域的不斷探索，各種多功能的復合系統會(huì )不斷地被開(kāi)發(fā)出來(lái)。
相關(guān)研究工作發(fā)表在近期的Adv. Funct. Mater上 (Electrically Responsive Materials and Devices Directly Driven by the High Voltage of Triboelectric Nanogenerators. DOI: 10.1002/adfm.201806351)，王中林和陳翔宇是文章的共同通訊作者。
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201806351
