聂双喜教授团队 Adv. Funct. Mater.：摩擦电探针新成果
液固接触起电是一种经典的物理现象，也是分析流体状态的重要途径。摩擦纳米发电机（TENG）的发明实现了比传统液固发电机高几个数量级的瞬时输出，是研究液固接触起电现象的先进工具。利用TENG开发新型的摩擦电探针，它可以短时间内原位计算液固接触时的电荷量，这对于检测液固界面的电荷转移也是一个巨大的优势。然而，液固接触起电是一个十分复杂的物理化学过程，极易受溶液中离子含量、pH和分子氢键的干扰，尤其是对于成分复杂的混合流体。解析基于混合溶液的液固接触起电现象，并提升摩擦电探针在多种液体环境中的应用潜力，一直是TENG领域由基础研究迈向产业化进程中极具挑战且十分迫切的研究方向。
近日，广西大学刘涛等人利用摩擦电探针研究了蔗糖溶液的液固接触起电过程，提出了流体力学状态、分子间氢键以及离子吸附的混合干扰机制。利用摩擦电探针对蔗糖溶液梯度式的电信号反馈，从而实现了蔗糖浓度的高效传感（灵敏度为-0.0038%-1，同时响应时间为90 ms）。这项成果以题为“Liquid-Solid Triboelectric Probes for Real-Time Monitoring of Sucrose Fluid Status”发表在了《Advanced Functional Materials》上，2022级博士生刘涛为本研究第一作者，聂双喜教授和陆登俊副教授为通讯作者，莫文凤、邹雪莲、罗斌、张松、刘艳华、蔡晨晨、迟明超、王金龙参与研究。
1. 摩擦电探针的设计
液固摩擦电探针如图1所示，将高电子亲和力的FEP薄膜作为使液滴带电的介电质基材，并在FEP薄膜的顶部、底部表面上分别贴敷铜电极作为电荷采集端，铜针（直径为100 μm）从顶部电极中心处引出。当溶液与FEP接触时，由于水分子与FEP的电子亲和力不同，水分子的电子倾向于向FEP转移，这个过程导致液滴带电。随着液滴滑落，分别依次接触摩擦电探针的顶部针电极及底部铜电极，依次实现了液滴中负电荷和正电荷的分离。
图1. 摩擦电探针的工作原理。
2. 关键证据1：流体力学特征
在以往的研究中，液滴式的摩擦电探针易受液滴体积的影响。这项研究发现，蔗糖的溶解改变了溶液的流体力学特征，将直接影响着摩擦电探针的探测液固界面电荷转移的准确性。根据典型的Harkins理论计算，明确了液滴体积（Vt）主要由溶液密度（ρ1）和表面张力（σ）共同决定。并通过实验验证，证实了蔗糖浓度对液滴体积的影响。对于多元混合溶液，其流体力学特征往往与水溶液有很大区别，尤其是对于表面张力和粘度变化特别大的混合溶液。这项研究首次揭示了混合溶液流体力学特征对摩擦电性能的影响机制，为摩擦电探针应对复杂溶液的检测提供关键科学支撑。
图2. 溶液流体力学对摩擦电性能的影响。
3. 关键证据2：分子间氢键作用力
在以往的研究中，普遍认为氢键作用是抑制液固接触电荷转移的关键因素。通过密度泛函理论分析，发现蔗糖分子中羟基的电位高于水分子，这意味着蔗糖更容易与水分子形成氢键网络，同时破坏水分子之间的氢键网络。并通过FT-IR验证了分子间氢键的形成。结合前人的研究可以得出结论，蔗糖分子与水分子形成分子间氢键，牵引并阻止水分子参与液固界面的电荷转移，从而抑制了摩擦电探针可检测的电荷量。
图3. 分子间氢键对摩擦电性能的影响。
4. 关键证据3：离子吸附与离子屏蔽
这项研究还发现，蔗糖浓度的提升导致溶液微弱向酸性变化且电导率上升。这意味着蔗糖的溶解促进了水的电离，释放了更多氢离子。在溶液中，离子的体积远比分子小，因此离子更容易通过吸附固定至液固界面处，阻碍水分子与FEP电荷转移，从而产生电荷屏蔽效应。
图4. 离子吸附对摩擦电性能的影响。
5. 基于摩擦电探针的蔗糖流体在线检测装置
基于上述三方面的研究结论，可以明确蔗糖的溶解导致摩擦电探针产生梯度式的电信号反馈。因此，摩擦电探针可以作为一种传感性能优异的浓度检测工具。分别探究了摩擦电探针在有线和无线模式下，对蔗糖浓度的传感性能。有线模式下，摩擦电探针对蔗糖浓度传感的灵敏度为-0.0038%-1，响应时间为90 ms。无线模式下，摩擦电探针依然可以实现蔗糖浓度以及流体状态的实时检测。
图5. 用于检测蔗糖浓度的智能传感器。
本研究报道了一种可用于检测蔗糖流体浓度的摩擦电探针。研究结果表明，蔗糖溶液影响液固接触电性能的原因可能有三个方面。首先，蔗糖的溶解改变了溶液的流体力学特性，减小了液滴尺寸和液固接触面积。其次，蔗糖分子与水分子形成氢键，从而阻碍了与固体发生电荷转移的数量。最后，蔗糖的加入增加了溶液中的离子含量，从而产生更强的电荷屏蔽效果。基于以上发现，该摩擦电探针已成功应用于蔗糖浓度传感，获得了优异的传感灵敏度（-0.0038%-1）和响应时间（90 ms）。该摩擦电探针还应用于蔗糖液的在线监测，实现了对蔗糖浓度和流体状态的实时无线传感。这项工作有助于理解溶液微观特征与宏观摩擦电性能之间的构效关系，并为构建可持续的智能传感器提供了有前景的解决方案。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202304321
