Хотя эффекты статического электричества очаровывали случайных наблюдателей и ученых на протяжении тысячелетий, некоторые аспекты того, как электричество генерируется и хранится на поверхностях, оставались загадкой.Теперь исследователи обнаружили более подробную информацию о том, как определенные материалы удерживают заряд даже после разделения двух поверхностей, информация, которая может помочь улучшить устройства, использующие такую энергию в качестве источника питания.«Нам известно, что энергия, генерируемая при контактной электрификации, легко удерживается материалом в виде электростатических зарядов в течение нескольких часов при комнатной температуре», — сказал Чжун Линь Ван, профессор школы материаловедения и инженерии Технологического института Джорджии. «Наше исследование показало, что на поверхности есть потенциальный барьер, который не позволяет генерируемым зарядам течь обратно к твердому телу, откуда они были, или уходить с поверхности после контакта».В своем исследовании, которое было опубликовано в марте в «Advanced Materials», исследователи обнаружили, что перенос электронов является доминирующим процессом контактной электризации между двумя неорганическими твердыми телами, и объясняет некоторые из уже наблюдаемых характеристик статического электричества.
«Были некоторые дебаты вокруг контактной электрификации, а именно, происходит ли перенос заряда через электроны или ионы, и почему заряды удерживаются на поверхности без быстрого рассеивания», — сказал Ван.Прошло восемь лет с тех пор, как команда Вана впервые опубликовала исследование трибоэлектрических наногенераторов, в которых используются материалы, создающие электрический заряд при движении, и которые могут быть разработаны для сбора энергии из различных источников, таких как ветер, океанские течения или звуковые колебания.«Раньше мы просто использовали метод проб и ошибок, чтобы максимизировать этот эффект», — сказал Ван. «Но с помощью этой новой информации мы можем разработать материалы, которые обладают лучшими характеристиками для преобразования энергии».Исследователи разработали метод с использованием наноразмерного трибоэлектрического наногенератора, состоящего из слоев либо титана и оксида алюминия, либо титана и диоксида кремния, чтобы помочь количественно определить количество заряда, накапливающегося на поверхностях в моменты трения.
Метод позволял отслеживать накопленные заряды в реальном времени и работал в широком диапазоне температур, в том числе очень высоких. Данные исследования показали, что характеристики трибоэлектрического эффекта, а именно то, как электроны проходят через барьеры, согласуются с теорией электронной термоэлектронной эмиссии.
Создавая трибоэлектрические наногенераторы, которые могут выдерживать испытания при высоких температурах, исследователи также обнаружили, что температура играет важную роль в трибоэлектрическом эффекте.«Мы никогда не осознавали, что это явление зависит от температуры», — сказал Ван. «Но мы обнаружили, что когда температура достигает примерно 300 по Цельсию, трибоэлектрический перенос почти исчезает».Исследователи проверили способность поверхностей сохранять заряд при температурах от 80 до 300 градусов Цельсия.
На основании своих данных исследователи предложили механизм объяснения физического процесса в эффекте трибоэлектрификации.«С повышением температуры колебания энергии электронов становятся все больше и больше», — пишут исследователи. «Таким образом, электронам легче выпрыгивать из потенциальной ямы, и они либо возвращаются в материал, откуда они пришли, либо испускаются в воздух».