傳統(tǒng)的摩擦納米發(fā)電機(jī)通過按壓或者滑動(dòng)方式，將兩種不同電負(fù)性材料摩擦所生成的靜電荷與背后的電極板產(chǎn)生靜電感應(yīng)，因而在外接負(fù)載上生成電流。為了增大摩擦納米發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的能量，一般的研究方向是通過材料的改進(jìn)以增大表面靜電荷密度或通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)以提高能量收集的效率。

　　然而，研究團(tuán)隊(duì)提出了第三種對(duì)于提高摩擦納米發(fā)電機(jī)能量輸出的可能研究方向，即改進(jìn)操作程序。傳統(tǒng)的摩擦納米發(fā)電機(jī)的操過程涉及到了電荷生成、電荷轉(zhuǎn)移和能量生成三個(gè)更基本的物理過程，這里稱為元操作。傳統(tǒng)的摩擦納米發(fā)電機(jī)操作（按壓或滑動(dòng)）實(shí)際上是這三個(gè)元操作按照一個(gè)特定時(shí)序與組合的循環(huán)，可以被認(rèn)為是一個(gè)最簡單的程序（即三個(gè)元操作的時(shí)序和組合）。顯然，這三個(gè)元操作能以更復(fù)雜的時(shí)序與組合進(jìn)行循環(huán)操作，在生成能量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)電荷在系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)累積，導(dǎo)致輸出能量隨著程序運(yùn)行持續(xù)增長，直至其電壓過高擊穿器件內(nèi)部的介電質(zhì)時(shí)達(dá)到最大值。

　　通過編程以提高摩擦納米發(fā)電機(jī)能量輸出的方案有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，可編程摩擦納米發(fā)電機(jī)的最大輸出并不受摩擦界面材料影響。第二，其最大電壓僅受電極板間介電質(zhì)擊穿電壓的限制，因此其器件的優(yōu)化主要注重于提高介電擊穿電壓。第三，理論上存在無數(shù)種可能的程序，可以適配于各類機(jī)械操作方式。研究展示了三種可能的程序，通過不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)，不同類型的物理操作（比如單向運(yùn)動(dòng)，來回運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）輕易實(shí)現(xiàn)1.5 kV-1.8 kV的高壓輸出。因此基于不同的應(yīng)用場景和物理操作方式設(shè)計(jì)并優(yōu)化程序成為摩擦納米發(fā)電機(jī)另一個(gè)替代研究方向。

　　王昊為論文共同第一作者。該項(xiàng)研究得到廣東省科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)研究和深圳基礎(chǔ)研究等項(xiàng)目的資助。

　　論文鏈接 

　　圖1. 傳統(tǒng)摩擦納米發(fā)電機(jī)的操作機(jī)制與分解出的三種元操作

　　圖2. 可編程摩擦納米發(fā)電機(jī)的程序案例之一：電荷振蕩器