摩擦起電效應不再惱人－摩擦奈米發電機的誕生與演化

  • 物理專文
  • 撰文者：林宗宏、黃名證、葉晨
  • 發文日期：2020-03-31
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摩擦起電效應 (Triboelectric effect，或稱Triboelectric charging)，是接觸起電  (Contact electrification) 現象中的一種，指的是當兩種不同材料經過接觸後，其表面會開始產生帶電的現象。在日常生活中，我們都可以常感受到此現象，如梳頭髮、穿衣服及開門等動作。摩擦起電效應最早是在西元前六世紀就被發現，十八世紀時開始被詳細探討，並逐漸有科學家建立起摩擦序列表 (Triboelectric series) 如圖一所示。這張表可以用來了解不同材料經過接觸後，其表面所能夠攜帶正、負電的相對能力。

fig1 (2)
 

圖一 摩擦序列表
 

然而這麼多年過去，大家對此效應的感受，普遍只有對生活帶來的不方便，甚至極易造成公共危險。自2012年起，美國喬治亞理工學院 (Georgia Institute of Technology) 的王中林教授 (Professor Zhong Lin Wang) 研究團隊，成功翻轉了摩擦起電效應的負面形象，將之發展成可以有效轉換環境中機械能的關鍵技術，他也將這關鍵技術命名為摩擦奈米發電機 (Triboelectric Nanogenerator，縮寫為TENG)[1]。摩擦奈米發電機發展至今，已被成功驗證不僅具能源收集功能，更因其本身轉換的電輸出會隨施加的環境因素程度而有所不同。即意味本身也可以用來感測施加的環境因素，且不需外部電源即可工作。這種特性，就是自驅動感測器 (Self-Powered Sensor) 的精髓。製作摩擦奈米發電機所需的設備及流程並不複雜，且元件的大小及規格可輕易變換，幫助其在不同領域的應用都可以提供切入點做結合。因此在這幾年已演變成機械能收集及自驅動感測器等研究領域最熱門的技術。

 

自摩擦奈米發電機的技術被研發出來以後，摩擦起電效應不但變成科學家極力想重新探討、了解的現象，更是決定摩擦奈米發電機效能的關鍵因素。因摩擦奈米發電機的電輸出大小，便是由材料接觸後，表面所能轉移的電子數目所決定。以下便以常用的接觸材料–尼龍及聚四氟乙烯作介紹。摩擦奈米發電機的工作原理主要是結合了摩擦起電效應及靜電場誘導 (Electrostatic Induction)：假設在材料接觸前，表面並不帶電則

  • 當摩擦奈米發電機受外力而導致尼龍及聚四氟乙烯接觸時，由於摩擦起電的效應，會導致尼龍表面的電子轉移至聚四氟乙烯的表面，使尼龍表面帶正電，聚四氟乙烯表面帶負電。
     
  • 當施加於摩擦奈米發電機的外力消失，同時將表面帶電的尼龍及聚四氟乙烯分開，此時會導致一電位差的產生，為了平衡此電位差，電子便會從聚四氟乙烯下方的導電電極流向尼龍上方的導電電極，產生電輸出。
     
  • 最終因達到電位的平衡而不再有電輸出。
     
  • 當外力又開始施加於摩擦奈米發電機使尼龍及聚四氟乙烯靠近時，由於存在於尼龍及聚四氟乙烯表面的電荷並不會馬上消失，靠近的行為便會導致電位差的減小，電子此時會從尼龍上方的導電電極流向聚四氟乙烯下方的導電電極，產生另一波的電輸出，最終因尼龍及聚四氟乙烯完全接觸而使電位差回歸到零。
 

由此工作原理我們可以得知只要能重複使尼龍及聚四氟乙烯兩個材料進行接觸、分開的動作，摩擦奈米發電機便能持續的產生電輸出。事實上為了達成此目的，已有許多具不同機械結構的摩擦奈米發電機被提出，也成功驗證了可以收集環境中不同來源的機械能 [2]。由前述的摩擦序列表，我們可以得知使用不同材料做組合來接觸，因摩擦起電效應導致的電子轉移數目也會不一樣，最終摩擦奈米發電機所能產生的電輸出也會有所不同。當不以機械能收集為目的時，只要能成功在接觸材料上修飾探針 (Probe)，其辨識到目標偵測物 (Target) 後便會因接觸組成的改變而導致量測到的電輸出訊號有所不同，此時摩擦奈米發電機變轉身一變，成為不需供電的自驅動化學感測器 [3,4]。
 

fig2 (2)
 

圖二 垂直接觸分開模式之工作原理示意圖


 

摩擦奈米發電機的技術演變至今，主要提出了四種工作原理以配合不同的應用方向。包括了垂直接觸分開 (Vertical Contact‐Separation，縮寫為CS) 模式、水平滑動 (Lateral‐Sliding，縮寫為LS) 模式、單電極 (Single‐Electrode，縮寫為SE) 模式和非接觸摩擦起電層模式 (Freestanding Triboelectric‐Layer，縮寫為FT) 等。圖二所解釋的便是垂直接觸分開模式。圖三則是四種工作模式的示意圖。
 

fig3 (2)
 

圖三 四種摩擦奈米發電機的工作方式示意圖
 

在圖三的四種工作模式中，垂直接觸分開模式使用於相對運動垂直界面。導電電極之間的電位差變化以及外部迴路電流的流動取決於接觸材料之間的間隙；水平滑動模式使用於相對位移的方向平行界面，並且可以通過設計使元件以旋轉的方式工作，透過導電電極數目的增加，提高摩擦奈米發電機的電輸出頻率，如後述的腳踏車範例。單電極模式則以大地為參考電極，可以從自由移動的物體中收集能量，例如打字，行走和交通工具的移動，因此應用範圍最為廣泛，不過電輸出較小。而非接觸摩擦起電層模式是在單電極模式為基礎發展的，但它不是使用地面作為參考電極，而是使用一對對稱導電電極。當物體自由移動時會改變其相對位置，導致電荷在對稱導電電極上形成不對稱的分佈，進而產生電輸出。值得一提的是，摩擦奈米發電機的實際應用不限於一種單一模式，而是更多地依靠不同模式的結合或混合來發揮其全部優勢。
 

摩擦奈米發電機在近幾年的重點研究方向，包含如何克服元件在工作時不會受到濕度效應的影響，以及接觸材料因長時間工作而有的耗損問題。我們提出的一個解決方法是利用液體來取代傳統的固體當作接觸材料，也發現此舉可以大幅降低前面提到摩擦奈米發電機的缺點 [5]。事實上液體與固體接觸後也會因摩擦起電效應而產生電子轉移的現象，這是人們早已知道的事。如在化工產業中，工人會盡量避免有機溶劑在塑膠管中運送時，因摩擦起電效應產生火花，進而導致爆炸的危險。而在利用液體與固體接觸來設計摩擦奈米發電機時，最關鍵的技術莫過於如何使液體在與固體接觸後可以有效分開。因液體不像固體可以利用機械結構的設計，達到接觸後分開的動作。我們假設以水為液體組成當作例子，此時的固體材料最好就具備疏水表面的特質，而一般生活中常用的疏水材料就是聚四氟乙烯 (俗稱鐵氟龍，英文名稱為Polytetrafluoroethene，縮寫為PTFE)。我們利用水滴及聚四氟乙烯來說明液體–固體摩擦奈米發電機的工作原理，並以兩種可能的機制做詳細解釋：
 

（a)當水滴的表面已經帶電

當水滴在與聚四氟乙烯接觸前，常會因已與環境中的其它介質接觸而導致帶電。若我們以單電極的摩擦奈米發電機為例子，則圖四(a)中的四個步驟分別代表：

(I)當帶電水滴與聚四氟乙烯接觸時，便會造成與地電極間的電位差，導致電子從地電極流向摩擦奈米發電機的導電電極，而產生電輸出。
(II)因導電電極與帶電水滴達到電位平衡，而不再有電輸出。
(III)當帶電水滴離開聚四氟乙烯時，會造成電位差的減小，使得電子會從導電電極流回地電極，也產生電輸出。
(IV)最終回歸到原始狀態，等待下一波帶電水滴的到來。

(B)當水滴表面不帶電
​​​​​​​(I)水滴與聚四氟乙烯接觸。
​​​​​​​(II,III) 因摩擦起電效應而導致聚四氟乙烯表面帶負電，水滴表面帶正電。

(IV)當帶正電的水滴離開帶負電的聚四氟乙烯表面時，便會產生一電位差，使電子從摩擦奈米發電機的導電電極流向地電極，產生電輸出最終達到電位平衡。
(V,VI, VII,) 當接下來的水滴再與帶電的聚四氟乙烯表面接觸時，因其表面的負電性，導致水滴中的陽離子遷移至靠近聚四氟乙烯的表面，此行為也會導致電位差，而使電子從地電極流向摩擦奈米發電機的導電電極，產生電輸出最終達到電位平衡。​​​​​​​

(VIII)當水滴離開帶負電的聚四氟乙烯表面時，會造成電位差的減小，使電子從導電電極流回地電極，也產生電輸出。

由於聚四氟乙烯表面的電荷並不會馬上消失，所以當接下來的水滴再與聚四氟乙烯表面接觸時，電輸出的機制便會依循 (v) - (viii) 的機制過程。
 

事實上，直接利用環境中的水當作接觸材料來設計液體-固體摩擦奈米發電機，可大幅簡化元件結構，並且廣泛使用於收集環境中各式的水能量，如海浪、河流、雨滴，甚至家庭或工廠中的廢水。這些都是已成功的範例 [6,7,8,9]。

 

fig4 (2)
 

圖四 兩種液體-固體摩擦奈米發電機的工作原理示意圖

 

而摩擦奈米發電機的應用，首先就是收集環境中的機械能。圖五為我們利用水平滑動模式所設計出的旋轉摩擦奈米發電機。此元件因具備指叉型電極結構，故具備高電輸出頻率的特色，也極易整合於如自行車等交通載具上，配合其輪胎運動，直接供給警示、照明設備驅動所需的電力，達到不需使用電池，可完全自我供電的目標。相比傳統利用電磁感應的發電模組，旋轉摩擦奈米發電機具備較輕、薄及低成本等優勢，更重要的特點是在低頻轉動時就可提供較高的輸出電壓。此元件也可被用於收集風能、水流能等。

 

fig5 (2)
 

圖五 應用於腳踏車上的旋轉摩擦奈米發電機

 

另外，隨著近十年來穿戴式裝置風潮的興起，醫療診斷的發展也朝穿戴式感測器方向邁進。然而在發展過程中，電力問題一直是個考驗。主要原因為穿戴式感測器會受限於體積的限制，而無法搭載大容量的電池。隨著科技的進步，穿戴式感測器的功耗將越來越小，因此科學家提出一個概念，就是將穿戴式感測器的所需電力，回歸到最基礎且本質的「人類」自身。利用我們每天的活動，即會不斷產生各種機械能。透過摩擦生電的方式，將這些微小但卻最易取用的能量，轉變為穿戴式感測器所需的電力。自供電感測器除了具備不需供電即可工作的優點，由於不需使用電源，也可大幅縮小感測器尺寸。對於第三世界國家、偏遠地區或軍事用途，具有不可取代之地位。目前發展雖還未達到此理想境界，但仍可提供方便之處，透過奈米發電機轉換出的電力，直接幫穿戴式感測器的電池充電，可以降低因電池需頻繁充電所帶來的不方便性。若有一天能完全取代掉電池，更能幫助人類社會不去生產或製造電池中所需會汙染環境的物質，還給大自然一個乾淨的空間。

 

事實上，所有的材料接觸後都可以產生摩擦起電現象，也都可以被用來設計成摩擦奈米發電機。如我們之前也與國外研究團作合作，探討衣服纖維及紙張在相關研究的潛力 [10,11]。在衣服纖維元件的部分，除了可以收集肢體動作產生的機械能，也可用於直接量測肢體的健康程度。在紙張元件的部分，紙張本身除了可當作接觸材料之外，其本身的機械結構也可幫助元件受外力接觸後自動分開，可被用來當成偵測壓力的可攜式自供電感測器。另外，考量到當摩擦奈米發電機穿戴於人體，可能會產生生物相容性及濕度影響電力輸出等問題，我們也率先使用蛋白質來設計摩擦奈米發電機 [12]。此元件除了具備高生物相容性外，也擁有在高濕度環境下可以維持高電輸出的特點。這也是有別於以往相關元件隨著濕度增加，電輸出只會下降的缺點。另外，也可利用此摩擦奈米發電機來當作自供電的濕度感測器，不需電力供應即可量測環境中的溼度。日前我們更利用同樣具生物相容性的水膠當作摩擦奈米發電機的接觸材料及導電電極，成功克服了濕度的問題，使得元件在不同濕度下都可以提供穩定的電輸出 [13]。

 

有了穩定電力的輸出，我們再利用簡易的電路設計來把產生的電力先行儲存在電容中，在行走30步的情況下，儲存的電力便可足夠進行一次乳酸或葡萄糖的偵測 [14,15]。比起血液中血糖的量測，利用分析汗液中的成分，來推斷血糖的濃度，這展現了非侵入式及更加即時分析等的特點，突顯了穿戴式元件在自供電感測器發展的優異之處。事實上，糖尿病位居國人十大死因之ㄧ，每年更有近萬人因糖尿病死亡。糖尿病及其所引發的併發症影響國人健康，不但不容小覷，且造成相當龐大的醫療負擔。所以若血糖的檢測方式能與穿戴式裝置進行結合，將會是大眾更能接受的診斷方式。有鑑於此，利用導電纖維來製備微型電化學分析試片，不僅可縮小所需分析樣品的體積，也展現了此系統可整合於衣物，成為新一代的智慧衣所不可或缺的自供電生理感測功能。圖六為我們將摩擦奈米發電機整合於鞋墊上所開發的智慧型壓力感測鞋墊。此鞋墊除了可收集行走時產生之機械能，更能在不用供電的情況下，提供壓力感測功能，即摩擦奈米發電機產生的電輸出訊號。利用電輸出訊號的大小，便能來判別是否為正常的走路姿態。相信在不久的將來，此一應用可以進一步的提供跟健康狀態有關的資訊，發揮穿戴式感測器應用至智慧醫療的最大效果。讓自己及醫生可以在不透過複雜且侵入式的檢測方式下，先行了解是否該至醫院從事深入的診斷及治療！

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圖六 整合於鞋墊上的摩擦奈米發電機智慧型壓力感測鞋墊

 

參考資料：

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  15. C.-H. Chen, P.-W. Lee, Y.-H. Tsao, Z.-H. Lin (2017)“Utilization of Self-Powered Electrochemical Systems: Metallic Nanoparticle Synthesis and Lactate Detection” Nano Energy, 42, 241-248.

 

 

 

作者：林宗宏、黃名證、葉晨

        國立清華大學生物醫學工程研究所