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
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 […]