Adelina 艾德琳

Self portrait, Image credit: Ignaas Jimidar, 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。 Diagram illustrating the operational mechanism of triboelectric nanogenerator surfaces. Image credit: Ignaas Jimidar 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。 Electron Microscope Image showing the surface of a Triboelectric Nanogenerator (TENG) with microscopic bead structures. Image credit: Ignaas Jimidar