【Nature Communications】机械驱动的摩擦电微等离子体源诞生
- 仇丁丁
- Created: 2018-11-28
引言
作为物质的第四态，等离子体在核聚变、激光、半导体、显示技术、生物医学、纳米技术、表面处理、航空航天等领域均扮演了重要的角色。传统的等离子体通常需要外部高压电源驱动，如直流、微波、射频等，其移动性、灵活性不可避免地受到电网或电池容量的限制。目前，通常利用压电材料、太阳能或（钻石与蓝宝石相互）摩擦来产生等离子体。尽管压电等离子体消除了对传统变压器的需求，但仍然需要电源作为能量输入；太阳能等离子体需要变压器和用于黑暗环境的储能装置；而摩擦等离子体（Triboplasma），则仅限于原位（in situ）应用。近年来，源自于麦克斯韦方程组中位移电流的摩擦纳米发电机（TENG）在自驱动系统中获得了广泛的应用。作为电源，TENG天然具有高电压的输出特性，目前已应用在质谱仪中定量地产生输入离子，还可通过高压电场生成纳米纤维。实际上，当操作TENG建立了较高的电势差（~kV）时，经常会出现静电放电现象，这就意味着有可能利用TENG可控地诱发连续静电放电以产生等离子体。
因此，我们提出摩擦电微等离子体（Triboelectric Microplasma）的概念，将等离子体与TENG结合起来，直接收集机械运动产生大气压等离子体。其原理为：通过摩擦起电效应产生足够高的电压，用于远程建立高压电场击穿气体，从而生成等离子体。这种方法为TENG在高压电场领域的直接应用打开了一扇门，尤其是自驱动等离子体。考虑到TENG的潜在应用和电特性，我们选择了大气压微等离子体源作为研究对象。
成果简介
2018年9月13日，清华大学机械系程嘉副研究员等人在Nature Communications上发表了题为“Triboelectric microplasma powered by mechanical stimuli”的研究论文，程嘉，丁文伯，訾云龙为论文共同第一作者。该论文报道了通过摩擦纳米发电机（TENG）在大气环境下直接利用机械能驱动产生微等离子体放电，提出了摩擦电微等离子（Triboelectric Microplasma）概念。文章成功实现了利用TENG直接驱动四种典型的等离子体放电模式：介质阻挡放电（DBD）、大气压非平衡态等离子体射流（APNP-J）、电晕放电（Corona discharge）以及微火花放电（Microspark discharge）。通过对不同模式下的放电过程进行电学与光谱参数测量、建模与仿真分析，揭示了摩擦电微等离子体的作用机理，探索了多种参数对等离子体特性的影响规律。TENG天然具有高电压输出特性，利用机械运动可轻易获得高压电场，该研究进一步拓展了TENG在高电压领域的应用。这项工作为传统的等离子体激发方式提出了一种全新的可能，也为便携式、自驱动的等离子体应用提供了理论与实验基础。
文献链接：
图文导读
图1 摩擦电微等离子体的实验装置及原理图
（a） 摩擦纳米发电机直接驱动微等离子体射流示意图
（b） 摩擦电微等离子体与人体皮肤接触
（c） 具有TENG图案的介质阻挡放电（DBD）装置图
（d） 具有TENG图案的介质阻挡放电（DBD）等离子体照片
（e） 摩擦纳米发电机驱动等离子体的原理图
图2 摩擦电微等离子体的电学特性与N2电晕放电光谱分析
（a） 电学参数测量原理图
（b-c）不同转速下TENG开路电压与短路电流
（d-f）介质阻挡放电（DBD）电学特性
（g-i）微电火花放电（Microspark）电学特性
（j）五阶升压电路（AC转DC），用于N2电晕放电
（k）N2电晕放电3条特征谱线、电流与电压随时间的同步变化
（l）N2电晕放电发射光谱
图3 介质阻挡放电（DBD）微等离子仿真
（a）瞬态电压、电场强度、电子数密度及电子温度随时间变化
（b-c）在不同时刻毛细管内电子数密度与电子温度的径向分布
（d）T/2时刻电子数密度分布云图
（e）在实验、等效电路模型及COMSOL模型中放电电流波形对比
图4 不同放电模式下电学特性随电极间距的变化
（a-d）1型介质阻挡放电（DBD）装置示意图及电学特性变化，具体包括放电电流、放电时间平均数/周期、电流有效值、平均功率（下同）
（e-h）2型石英毛细管微电火花放电装置示意图及电学特性变化
（i-l）3型不锈钢针管微电火花装置示意图及电学特性变化
（m-p）放电模式随结构变化的过程
图5 摩擦电微等离子体的应用
（a）用微等离子体处理FEP表面示意图
（b）微等离子体处理前后FEP表面接触角的变化
（c-d）微等离子体点亮“TENG”图案实物照片
（e-f）摩擦纳米发电机驱动的等离子体发光盘（Plasma disk）实物照片