讲座主题：摩擦高压静电场作用机理与新应用

主讲人： 程嘉

工作单位：清华大学

活动时间：2020年10月16日19:00-20:00

讲座地点：腾讯会议：558 651 684

主办单位：烟台大学机电汽车工程学院

内容摘要：

如果说哪种发现对人类世界产生的影响是决定性的，那么电一定算是其中之一。如今电力在我们的生活中无处不在，人类的衣食住行无不依赖于电力。然而令很多人没有想到的是，生活中令人避之不及的摩擦静电，收集起来也可以让人类拥有俯首即是的新能源，而这要得益于一种被称为摩擦纳米发电机（TENG）的装置。当两种不同材料在外力作用下互相接触（摩擦）时，其表面会由于摩擦起电效应带有不同电性的静电荷，同时会在材料背面电极上感生出异种电荷；当接触表面受外力分离时则会在电极间产生电势差，若电路闭合则会形成电荷流动。基于摩擦起电效应与静电感应原理的摩擦纳米发电机最早由王中林院士于2012年提出，可以有效将环境中的低频机械能（例如：振动、水波、风、人体运动甚至雨滴）转化为电能，是一种具有较高内部容抗的电荷源，主要包括四种工作模式——垂直接触分离式、水平滑动式、单电极式和独立层式。

TENG具有结构简单、成本低廉、柔弹性强、低频高效、电压较高和选材广泛等显著特点。与电磁发电相比，TENG在低频（<5Hz）条件下拥有更高的输出特性，是电磁发电机的有益补充。近年来TENG在微纳能源、自驱动传感、海洋能发电、高压电源等领域取得了诸多丰硕的成果，在可穿戴设备、物联网、5G等技术对分布式能源日渐依赖的时代，拥有极大的应用潜力。例如，利用TENG可利用海浪发电组成“蓝色能源”，可以收集心脏跳动能量为心脏起搏器供电，可以产生千伏高压电离液体用于质谱分析，可以感知人体皮肤微小振动实现人机交互……

摩擦纳米发电机天然具有高电压（几千伏）、低电流（几微安）的输出特性，在外接电极间容易产生高压静电场，在特定场景下是一种理想的高压电源，被看作是未来TENG发展的一个重要方向。清华大学及其科研合作团队主要在TENG驱动的摩擦静电场作用机理与新应用方面取得了一些研究成果：

缘于探寻一种更简单、有效激发微等离子体的方法，基于TENG提出“摩擦电微等离子体”（Triboelectric Microplasma）概念，即只利用机械能远程驱动、调控微等离子体放电，无需电源和真空环境；提出等离子体器件容抗匹配的调控方法，实现放电功率提高1个数量级；提出摩擦电微等离子体发射光谱检测气体种类的新方法；提出机械运动直接驱动摩擦高压静电场激发Ar/Hg等离子体放电产生紫外线的方法；揭示了低频静电场作用下等离子体作用机理，探究电子温度、数密度、电势等时空演化规律与调控机制；实现了直饮水杀菌、化学检测与紫外固化；提出摩擦静电场辅助细胞打印技术，打印微球中细胞活性达92%以上；经测量单个微液滴携带电量低于商业电源打印的液滴，成球度高，对细胞电损伤更小更安全；通过高速摄像机与两相流仿真对比，揭示微液滴在摩擦高压静电场下颈缩、断裂、破碎、下落的运动学、动力学与电学机理；该技术还成功应用于导电墨水的电喷射打印；揭示了摩擦静电场对水中Cu离子浓度扩散的促进机制；提出一种适用于野外的直饮水杀菌装置，实现细菌平均失活率达6 logs，成本不足RMB 70元。

相关研究成果已在Nature Communications等顶级期刊上发表SCI论文12篇，其中IF>10的11篇，其中以（共同）第一/通讯作者身份发表7篇（包括Nano Energy封面、封底各1篇），近3年Scopus总引用207次，申请发明专利13项，已获授权3项。多次受邀参加国际学术会议并担任分会主席。研究成果被中国科学报、新华网、Advanced Science NEWS、科技纵览（IEEE Spectrum中文版）等多家科技媒体以专题形式报道。在中国科学院网站、Facebook、YouTube等国内外媒体上被多次关注和转载。

主讲人介绍：

程嘉，博士，副研究员。2002年本科毕业于清华大学机械工程系，2008年于清华大学精密仪器与机械学系获博士学位。之后在清华大学光学工程博士后流动站工作，于2013年晋升为副研究员。2016年至2018年在美国佐治亚理工学院作访问学者。2014年获“清华大学青年教师教学优秀奖”（青教奖，青年教师教学最高荣誉，10人/年）和清华大学第六届“青年教师教学大赛理工组一等奖”，2019年获“清华大学优秀硕士学位论文指导教师”称号，2019年获清华大学“教学成果一等奖”，曾获“清华大学优秀班（级）主任二等奖”。

共发表EI论文40篇，其中SCI论文21篇，其中11篇影响因子IF>10.0，Scopus引用282次，其中他引177次，第一作者论文单篇最高引用53次。申请国家发明专利31项，已授权21项。以(共同)第一作者/通讯作者身份在Nature Communications(IF=12.121)、Nano Energy(IF=16.602)、Advanced Energy Materials(IF=25.245)、Advanced Functional Materials(IF=16.836)、Science Bulletin(IF=9.511)等Top期刊上发表论文7篇，其中2篇论文分别入选Nano Energy封面、封底文章。

主持承担国家自然科学基金、国防科技创新特区、国家科技重大专项等多项项目，负责总经费达3500余万元。申请国家发明专利31项，获得授权22项，获软件著作权6项。曾获得2009年度国家科技进步二等奖。负责起草了IC装备行业首个国家标准“含工艺腔室类集成电路装备设计信息模型”（2020/03/01实施）。担任国防科技创新特区***计划***重点项目责任专家，***主题专家组办公室主任、中国生物医学工程学会康复工程分会委员等多项社会服务工作。