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  人們一直致力于研究維持現(xiàn)代社會(huì)的巨大能源消耗的同時(shí)最小化環(huán)境消耗。從可再生的自然源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能和生物質(zhì)能）收集能量，已經(jīng)被證實(shí)是應(yīng)對(duì)能源危機(jī)的可持續(xù)可供選擇的方向，而且在化石燃料快速消耗的今天扮演著越來(lái)越重要的角色。最近發(fā)明的摩擦納米發(fā)電機(jī)具有質(zhì)量輕、價(jià)格低廉，甚至在低工作頻率下仍然高效等先天優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被證實(shí)是一個(gè)具有深遠(yuǎn)意義的解決方案。通過(guò)收集環(huán)境中的機(jī)械能——日常生活中普遍存在卻被浪費(fèi)掉的能量，摩擦納米發(fā)電機(jī)在自驅(qū)動(dòng)傳感網(wǎng)絡(luò)和大規(guī)模可再生藍(lán)色能源領(lǐng)域均有很好的應(yīng)用前景。 

  作為一種能量收集器件，摩擦納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用及商業(yè)化強(qiáng)烈地依賴(lài)于它的功率密度，而功率密度又與摩擦電荷密度成二次方關(guān)系。因此，人們一直致力于通過(guò)改善材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和表面修飾等方法來(lái)提高摩擦電荷的密度，但此前所有研究中的可利用摩擦電荷密度都受到空氣擊穿現(xiàn)象的困擾。 

  近日，在中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)、佐治亞理工學(xué)院校董教授王中林院士的指導(dǎo)下，王杰研究員、吳昌盛博士生和戴葉婧副教授等首次利用真空環(huán)境和鐵電材料將可輸出摩擦電荷密度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)、最大輸出功率密度提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。基于常規(guī)的由銅薄膜和聚四氟乙烯薄膜組成的摩擦納米發(fā)電機(jī)，相關(guān)科研人員先是利用軟接觸和碎片結(jié)構(gòu)使摩擦表面得到更為有效的利用，將空氣中的摩擦電荷密度從50 μC m-2增大到120 μC m-2。接著，利用高真空環(huán)境將空氣擊穿的影響降至最低，把摩擦電荷密度進(jìn)一步提升到660 μC m-2，創(chuàng)造新的歷史記錄。最后，研究人員在聚四氟乙烯薄膜下引入鐵電材料，將摩擦起電的表面極化和鐵電材料的磁滯介電極化進(jìn)行耦合，使得摩擦電荷密度進(jìn)一步跳躍到了1003 μC m-2。這把即使是在普遍低速運(yùn)動(dòng)下（2 Hz）的傳統(tǒng)摩擦納米發(fā)電機(jī)的最大輸出功率密度提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，從0.75 W m-2提高到了50 W m-2。 

圖1 輸出電荷密度對(duì)比圖

  這些研究結(jié)果極大地提高了TENG的輸出能量，不僅刷新了TENG的性能記錄，同時(shí)還建立新的優(yōu)化模式。所用到的高真空環(huán)境不僅僅能保證TENG的更好的性能，同時(shí)排除了由于自然的灰塵和空氣水分積累帶來(lái)的性能下降。這些都能夠顯著提高基于TENG的自供電可穿戴電子器件和藍(lán)色能源網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景。這個(gè)工作也提供了對(duì)于制約TENG性能的因素的新見(jiàn)解，并有利于揭示長(zhǎng)期懸而未決的摩擦起電機(jī)理以及它的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在Nature Communication雜志上（DOI: 10.1038/s41467-017-00131-4）。 

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-017-00131-4