微小运动大能量：吉米达尔博士（Dr. Ignaas Jimidar）揭示摩擦发电新时代
在可持续能源领域，科学家正利用创新的“摩擦纳米发电机”（TENGs）技术，从日常摩擦中获取电力。近期，比利时布鲁塞尔自由大学（VUB）的伊格纳斯·吉米达尔博士（Dr. Ignaas Jimidar）团队取得关键进展：他们发现使用特殊的三聚氰胺-甲醛微珠，能凭借其独特的物理特性，显著增强材料接触时的电荷转移效率，从而产生更强的电流。这项成果已于2025年2月5日发表在《Small》期刊上。
有趣的是，研究揭示了微珠尺寸与所带电荷的关系：较大的珠子倾向于带负电，较小的则带正电。通过优化微珠的大小和成分，团队在不依赖昂贵材料的情况下提升了能量产生效率。
这项技术为开发自充电可穿戴设备等应用开辟了新途径，不过在实际应用中，仍需克服可靠性和规模化生产方面的挑战。我们就此项工作与吉米达尔博士进行了交流。
故事起源
问：是什么激发了您探索利用微小塑料珠收集电能的兴趣？
答：最初源于我们想开发一种不需要溶剂的“干法”组装技术，目标是用更可持续的方式来制造有序的微观结构。这种干法工艺速度很快——大约只需要20秒，而且容易扩大生产规模或实现自动化，不像传统的“湿法”工艺那样需要等待溶剂缓慢蒸发。在探索这项技术的应用时，我们与里加工业大学和墨尔本皇家理工大学研究摩擦纳米发电机（TENG）的同行进行了交流。我们意识到，我们制造的微粒结构本身就形成了摩擦发电所需的规整表面形态（拓扑结构），这正好可以替代传统上昂贵的压印或蚀刻等制造方法。这感觉是一个非常自然的结合点。
问：您的学术背景相当多元化，是如何开始研究这些微珠的？
答：我的求学之路确实跨越了几个领域。我在苏里南学习机械工程起步，之后到荷兰攻读应用物理学和流体动力学。读博士时，我转向了化学工程领域，在一个项目中偶然接触到了粉末和微珠。这里面的物理现象非常吸引我：颗粒材料的研究与流体动力学有共通之处，但在粉末这样的微观尺度上，微粒间的表面力远比重力更重要，这和我们平时看到的宏观玻璃弹珠的行为很不一样。后来，为这些特别的材料开发无需溶剂的组装方法，更让我觉得兴味盎然。
科学理解
问：能简单解释一下这些微珠之间的摩擦是如何产生电力的吗？
答：基本上就是我们日常生活中经历的静电现象，比如用气球摩擦头发——接触和摩擦导致了电荷在不同物体间转移。有趣的是，其精确的微观机制至今尚未被完全弄清楚。现有的理论包括电子转移、材料本身的微小转移，或者多种过程同时发生。像湿度这样的环境因素会极大地影响起电效果，增加了复杂性。最近的研究甚至挑战了一些旧的假设，《自然》杂志上的一项研究表明，即使是化学成分完全相同的材料，比如两块反复接触的硅胶，也能分别带上相反的电荷，这可能是由于表面极其细微的差异或接触方式的不对称造成的。
问：微珠带上正电荷还是负电荷是随机的，还是可以控制的？
答：确实存在一定的随机性，尤其是在相同材料相互作用时，要解释为何一个表面会倾向于带正电，而另一个表面倾向于带负电，仍然很困难。你甚至可能在同一个表面上观察到不同电荷的“斑块”。不过，通过谨慎地选择不同材料进行搭配，我们通常可以大致控制它们的起电行为。但这种现象对环境非常敏感——湿度和温度都会影响电荷的产生和积累——这是实际应用中的一个主要障碍。
问：为什么特别选择三聚氰胺-甲醛微珠呢？
答：老实说，最初是因为我们的供应商正好有现成的这种材料！但从科学角度来看，它们之所以有效，是因为三聚氰胺-甲醛作为一种聚合物，异常坚硬。当这种硬质微珠压在较软的材料上时，其刚性能增强表面的实际接触面积，从而显著提高充电效果。
问：量子物理原理在这种电荷形成中扮演了角色吗？
答：有些研究人员确实从量子角度来探讨这个问题，研究电子能带结构以及接触过程中可能的电子俘获现象。然而，研究摩擦起电效应非常有挑战性，因为极其微小的表面变化，或者像一层薄薄的水膜这样的因素，都可能彻底改变结果，这使得分离和确认单一机制变得异常困难。
问：发现较大的珠子带负电、小珠子带正电，这对您的研究方法有何影响？
答：这个发现直接影响了我们选择材料的策略。为了最大化电荷产生，我们意识到应该将具有互补特性的材料配对使用：用较硬的材料制作小尺寸微珠（以增强正电荷），同时用较软的材料制作大尺寸微珠（使其倾向于带负电荷）。这种组合能够放大材料间的电荷差异和电势差，从而提高功率输出。
应用与未来方向
问：自供电的可穿戴设备离我们还有多远？
答：我们还没完全实现这一目标。关于材料在不同环境下的表现、长期接触皮肤的安全性、材料的可持续性，以及至关重要的耐用性，都还有很多重要问题需要解答。消费者期望可穿戴设备能用上好几年。我估计，可能还需要大约五年的时间，才能将这项技术可靠地集成到商业化的服装产品中。将实验室的成果转化为稳定可靠的消费级技术总是需要时间的。
问：采用这项技术的第一个商业化产品可能会是什么？
答：手表似乎是可能性最高，智能服装也很有潜力。服装由于穿着时的自然运动会产生持续摩擦，为这项技术提供了独特的机会。想象一下，在寒冷天气里，衣物面料自身就能为集成的加热元件供电保暖。这些应用看起来比利用海洋波浪能等大规模能源收集要更接近现实，后者是一个更为长远的目标。
问：用TENGs替代传统电池的最大障碍是什么？
答：稳定性无疑是最大的挑战，尤其是在为功率要求较高的设备持续供电时。TENGs在小规模、低功耗场景下可以很高效，但在各种条件下长期保证可靠、稳定的输出，是阻止它们取代传统电池为高耗能应用供电的主要障碍。这项技术目前更适合那些可以接受间歇性能量收集的低功耗用途。
问：您如何展望这项技术十年后的发展？
答：我预见它会更广泛地集成到计算机和传感器中，而不是用于大规模发电。自供电传感器是一个非常有前景的方向，因为几乎所有传感器都需要能源。我们可能会看到它在纺织品、服装和手表中的应用。但我对其在短期内为家庭或城市供电持怀疑态度，因为其电流和电压输出相对较低，使得TENGs更适合分布式、小规模的能量收集场景。
技术创新
问：这些微珠有多小？
答：我们使用的微珠尺寸范围大约从10微米到500纳米不等。小的那一端，半微米（即500纳米），比人类头发丝细得多，足以用来构建高效的微结构表面。
问：无溶剂工艺为您的TENGs带来了哪些优势？
答：速度快和通用性强是关键优势。干法组装允许我们使用一致的工艺参数，快速地为各种类型和尺寸的颗粒创建电极。这种跨不同材料的工艺一致性是一个显著的优点，避免了反复调整工艺参数的麻烦。
问：在没有溶剂的情况下，如何控制微珠的三维堆叠结构？
答：老实说，使用干法精确控制三维堆叠仍然是一个我们正在积极探索的挑战。初步工作表明，能否成功很大程度上取决于颗粒的类型和大小。
问：这项技术的可持续性如何？
答：我们的无溶剂组装过程本身就是一个明确的可持续性优势，因为它在设备制造环节消除了溶剂的使用。虽然微珠本身的制造通常仍会用到溶剂，但目前已有研究在探索如液滴微流控技术等更环保的生产方法。与能源消耗大的传统方法（如蚀刻）相比，我们的技术更加可持续，这个优势不仅适用于TENGs，也适用于生物分析等其他需要构建微结构的领域。
问：迈向实际应用的下一个重要步骤是什么？
答：更深入地理解摩擦起电机制的基本原理，特别是其在不同环境条件下的稳定性问题。弄清楚电输出如何随环境（如湿度、温度）变化，对于将实验室演示转化为实用设备至关重要。
问：在这项研究中，有什么发现让您感到惊讶吗？
答：令人惊讶的是，尽管摩擦起电效应已经被广泛研究了很长时间，但之前几乎没有人系统地研究过利用结构化的微珠层来产生能量。这些微小结构化珠粒的有效性，事后看来似乎很直观，但在我们研究之前，它却是一个未被充分探索的领域。
结论
基于微球的摩擦纳米发电机（TENGs）研究，特别是结合无溶剂组装技术，展示了一条通往高效、可持续能量收集的有前景之路。虽然在环境稳定性、材料优化等方面仍存在重大挑战，但持续深入研究摩擦起电的基础科学至关重要。通过合作与创新，由摩擦驱动的可穿戴设备和自供电传感器，或许很快就能从实验室概念走向我们的日常生活。