Ny indsigt kan bane vejen for selvdrevne lavenergienheder

De fleste mennesker har følt det svie ved at tage fat i et dørhåndtag efter at have gået hen over et tæppe eller set, hvordan en ballon klæber til en sløret overflade efter et øjebliks kraftige gnidning.

Mens virkningerne af statisk elektricitet har fascineret tilfældige observatører og videnskabsmænd i årtusinder, visse aspekter af, hvordan elektriciteten genereres og lagres på overflader, er forblevet et mysterium.

Nu, forskere har opdaget flere detaljer om, hvordan visse materialer holder en ladning, selv efter at to overflader adskilles, oplysninger, der kunne hjælpe med at forbedre enheder, der udnytter sådan energi som en strømkilde.

"Vi har vidst, at energi, der genereres ved kontaktelektrificering, let tilbageholdes af materialet som elektrostatiske opladninger i timevis ved stuetemperatur, " sagde Zhong Lin Wang, Regents 'professor i School of Materials Science and Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Vores forskning viste, at der er en potentiel barriere ved overfladen, der forhindrer de ladninger, der genereres i at strømme tilbage til det faste stof, hvor de var fra, eller undslippe fra overfladen efter kontakten."

I deres forskning, som blev rapporteret i marts i Avancerede materialer , forskerne fandt ud af, at elektronoverførsel er den dominerende proces for kontaktelektrificering mellem to uorganiske faste stoffer og forklarer nogle af de karakteristika, der allerede er observeret omkring statisk elektricitet.

”Der har været en del debat omkring kontaktelektrificering – nemlig om ladningsoverførslen sker gennem elektroner eller ioner, og hvorfor ladningerne forbliver på overfladen uden en hurtig spredning, " sagde Wang.

Det er otte år siden, Wangs team første gang offentliggjorde forskning om triboelektriske nanogeneratorer, som anvender materialer, der skaber en elektrisk ladning, når de er i bevægelse, og som kan designes til at høste energi fra en række forskellige kilder såsom vind, havstrømme eller lydvibrationer.

"Tidligere brugte vi bare forsøg og fejl for at maksimere denne effekt, " sagde Wang. "Men med denne nye information, vi kan designe materialer, der har bedre ydeevne til strømkonvertering."

Forskerne udviklede en metode ved hjælp af en triboelektrisk nanogenerator i nanoskala - sammensat af lag enten af ​​titanium og aluminiumoxid eller titanium og silikonedioxid - for at hjælpe med at kvantificere mængden af ​​ladning, der akkumuleres på overflader under friktionsmomenter.

Metoden var i stand til at spore de akkumulerede ladninger i realtid og virkede over en lang række temperaturer, inklusive meget høje. Dataene fra undersøgelsen indikerede, at egenskaberne ved den triboelektriske effekt, nemlig hvordan elektroner flød over barrierer, var i overensstemmelse med den termioniske elektronemissionsteori.

Ved at designe triboelektriske nanogeneratorer, der kunne modstå test ved høje temperaturer, forskerne fandt også ud af, at temperaturen spillede en stor rolle i den triboelektriske effekt.

"Vi var aldrig klar over, at det var et temperaturafhængigt fænomen, " sagde Wang. "Men vi fandt ud af, at når temperaturen når omkring 300 Celsius, den triboelektriske overførsel forsvinder næsten."

Forskerne testede overfladers evne til at opretholde en ladning ved temperaturer fra omkring 80 grader Celsius til 300 grader Celsius. Baseret på deres data, forskerne foreslog en mekanisme til at forklare fysikprocessen i triboelektrificeringseffekt.

"Når temperaturen stiger, elektronernes energiudsving bliver større og større, " skrev forskerne. "Således, det er lettere for elektroner at hoppe ud af potentialebrønden, og de går enten tilbage til det materiale, hvor de kom fra, eller de udsender til luft."