聂双喜教授团队 Adv. Funct. Mater.：摩擦电探针新成果

【导读】

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）。

液固摩擦电探针将高电子亲和力的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。

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。

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。

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。

论文信息：

标题：Liquid–Solid Triboelectric Probes for Real-Time Monitoring of Sucrose Fluid Status

出版信息：Advanced Functional Materials，04 July 2023

DOI：10.1002/adfm.202304321

转自：“科研之友 ScholarMate”微信公众号

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