CN115800804A - 一种液滴摩擦纳米发电机及其监测仪与监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液滴摩擦纳米发电机及其监测仪与监测方法。液滴摩擦纳米发电机包括电极阵列层和绝缘聚合物层。电极阵列层包括电极阵列。所述电极阵列中的每个电极都为独立电极单独输出至一个外电路，且等距排列。绝缘聚合物层贴合且覆盖在所述电极阵列的其中一侧上，绝缘聚合物层供液滴在绝缘聚合物层上滑动摩擦，由此相应电极感应液滴与绝缘聚合物层界面区的电荷转移量，从而获得液滴在疏水界面滑动过程中的高分辨电荷分布。
Description
技术领域
本发明涉及一种摩擦纳米发电机，特别是涉及一种液滴摩擦纳米发电机，采用所述液滴摩擦纳米发电机在液滴的运动过程中的电荷转移实时监测仪，采用所述电荷转移实时监测仪的长距离下液滴在疏水界面滑动过程中的高分辨电荷分布监测方法。
背景技术
近年来，多项研究致力于利用液固界面间的接触起电，从液滴的运动中来获取能量，即液滴-摩擦纳米发电机(Droplet-TENG)。目前大多数研究集中在单电极液滴Droplet-TENG,或者将多电极串联或者并联以提高摩擦纳米发电机的性能，然而这些类型的摩擦纳米发电机对于提供液固界面间电荷转移信息非常有限。比如，仅使用一个电极的Droplet-TENG只能告诉我们液滴沿整个滑动路径的总电荷转移，而无法在微观水平上持续监测电荷转移量。而具有两个平行电极的Droplet-TENG可以在一定程度上区分Y轴方向的电荷转移，而X轴方向的电荷转移分析仍然无法实现。因此，目前存在的单电极和双电极Droplet-TENG都不能在X轴和Y轴上实现液滴运动轨迹上的微观高分辨电荷分布。
发明内容
为了解决目前存在的单电极和双电极Droplet-TENG都不能在X轴和Y轴上实现液滴运动轨迹上的微观高分辨电荷分布的技术问题，本发明提供一种液滴摩擦纳米发电机，采用所述液滴摩擦纳米发电机在整个液滴的运动过程中的电荷转移实时监测仪，采用所述电荷转移实时监测仪的长程距离下液滴在整个疏水界面滑动过程中的高分辨电荷分布监测方法。通过本发明的液滴摩擦纳米发电机能感应液滴与绝缘聚合物层界面区的电荷转移量，从而获得液滴在整个疏水界面滑动过程中的高分辨电荷分布。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：一种液滴摩擦纳米发电机，其包括电极阵列层和绝缘聚合物层。电极阵列层包括电极阵列。所述电极阵列中的每个电极都为独立电极单独输出至一个外电路，且等距排列。绝缘聚合物层贴合且覆盖在所述电极阵列的其中一侧上，绝缘聚合物层供液滴在绝缘聚合物层上滑动摩擦，由此相应电极感应液滴与绝缘聚合物层界面区的电荷转移量。
作为上述方案的进一步改进，电极阵列层还包括：绝缘聚合物基板，电极阵列镶嵌在绝缘聚合物基板中且两侧裸露在绝缘聚合物基板的相对两侧上；绝缘聚合物层贴合在绝缘聚合物基板镶嵌有所述电极阵列的其中一侧上且覆盖所述电极阵列。
作为上述方案的进一步改进，绝缘聚合物层的聚合物材料为薄膜材料，固体材料或经过化学修饰和细胞附着的化学生物材料。
进一步地，绝缘聚合物层的聚合物材料为聚甲基丙烯酸甲酯，或尼龙，或氯乙烯，或聚二甲基硅氧烷，或聚四氟乙烯等聚合物材料，或半导体材料。
进一步地，绝缘聚合物层的厚度为1μm-100μm。
进一步地，绝缘聚合物基板的厚度范围为1-10mm。
作为上述方案的进一步改进，电极采用一种导电的材料。
进一步地，电极采用导电高分子、不锈刚。
再进一步地，电极采用金、银、钼、铝、镍、铜、钛、烙、硒及其合金中的一种。
作为上述方案的进一步改进，电极的形状为正方形或者圆形。
作为上述方案的进一步改进，电极的直径范围为0.1-10mm。
作为上述方案的进一步改进，所述电极阵列中的电极的间距范围为0.1-10mm。
作为上述方案的进一步改进，所述电极阵列的密度范围为0.1-1mm。
作为上述方案的进一步改进，绝缘聚合物层和电极阵列层的外侧边缘通过胶带连接。
作为上述方案的进一步改进，绝缘聚合物层采用一个矩形的5cm×10cm的全氟乙烯丙烯共聚物薄膜，厚度范围为10-50μm，带背胶，粘贴在高分子聚合物绝缘层的聚甲基丙烯酸甲酯基底上，所述高分子聚合物绝缘层为电极阵列层，所述聚甲基丙烯酸甲酯基底为绝缘聚合物基板且厚度1mm；所述聚甲基丙烯酸甲酯基底的表面镶嵌有铜电极阵列，所述铜电极阵列为所述电极阵列，所述电极阵列的密度为每平方厘米排布有144个独立电极，电极阵列按12列×36排的方式排布。
本发明还提供一种在液滴的运动过程中的电荷转移实时监测仪，包括检测装置和上述任意液滴摩擦纳米发电机。液滴摩擦纳米发电机中的每个电极都独立与所述检测装置电性连接。通过电极感应液滴与绝缘聚合物层界面区的电荷转移量，电极由此通过所述检测装置形成独立的电信号；所述检测装置通过这些独立的电信号得到液滴在绝缘聚合物层上的整个运动轨迹。
作为上述方案的进一步改进，所述检测装置为电流检测装置，电压检测装置或电荷检测装置，相应的电信号对应为电流信号，电压信号或电荷信号。
本发明还提供一种长距离下液滴在疏水界面滑动过程中的高分辨电荷分布监测方法，其包括以下步骤：
提供上述在液滴的运动过程中的电荷转移实时监测仪；
当液滴在疏水界面长程距离滑动时，所述电荷转移实时监测仪的电极通过所述电荷转移实时监测仪的检测装置形成独立的电信号，通过这些独立的电信号得到长程距离下液滴在疏水界面滑动过程中的高分辨电荷分布轨迹。
本发明还提供一种将上述任意液滴摩擦纳米发电机作为探针在液固界面间实时微观电荷转移监测中的应用。
与现有技术相比，本发明的液滴摩擦纳米发电机为一种高密度电极阵列的像素液滴摩擦纳米发电机，具备如下有益效果：
1.可以实时监测长程距离下液滴如水滴在整个疏水界面滑动过程中的高分辨电荷分布，电荷空间分辨率可达400μm；单电极和双电极的液滴摩擦纳米发电机得到的电荷转移数据为一个点或两个点，无法观察到液滴在运动过程中的转移电荷的微观变化，而本发明可以实现这一点。
2.应用场景广泛。可以应用于材料表面物理，化学性质的微观快速检测，液体化学和物理性质的检测，也可以用于生物薄膜表面性质的微观检测，细胞和病毒等性质的快速检测等。比如固体材料的疏水性，粗糙度，液滴的接触角和酸碱性，细胞和病毒的微观运动等的测定。而这些微观尺度的性能测定目前所存在的摩擦纳米发电机都无法实现。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的液滴摩擦纳米发电机的结构示意图。
图2为本发明实施例2提供的液滴摩擦纳米发电机的电极阵列的结构示意图。
图3为图2的液滴摩擦纳米发电机所的电荷转移过程的示意图。
图4为采用图2的液滴摩擦纳米发电机得到的水滴滑过FEP膜表面时的电荷分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
请参阅图1，其为本发明实施例1提供的液滴摩擦纳米发电机的结构示意图。液滴摩擦纳米发电机属于像素液滴摩擦纳米发电机(pixel droplet-TENG)可以作为探针实现水滴运动轨迹上的微观高分辨电荷分布。
液滴摩擦纳米发电机包括绝缘聚合物层2、电极阵列层5。电极阵列层5包括绝缘聚合物基板4、镶嵌在绝缘聚合物基板4中且两侧裸露在绝缘聚合物基板4的相对两侧上的电极阵列。所述电极阵列中的每个电极3都为独立电极单独输出至一个外电路，且等距排列。绝缘聚合物层2贴合在绝缘聚合物基板4镶嵌有所述电极阵列的一侧上且覆盖所述电极阵列，绝缘聚合物层2供液滴1在绝缘聚合物层2上滑动摩擦，由此相应电极3感应液滴1与绝缘聚合物层2界面区的电荷转移量。由此，液滴摩擦纳米发电机可视为三层结构，包括第一摩擦层，第二摩擦层和电极层。
第一摩擦层为液滴1，可以为水滴或其他任意液态液滴，液滴浓度，种类和液滴尺寸没有限制。
第二摩擦层为绝缘聚合物层2，聚合物材料可以为聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙、氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯等绝缘聚合物材料或者半导体材料，或者其他高分子聚合物绝缘层，厚度优选为1μm-100μm。第二摩擦层能够是任意绝缘的薄膜材料，固体材料或经过化学修饰和细胞附着的化学生物材料。绝缘聚合物层2的表面优选为疏水表面。
电极层为电极阵列，电极阵列设置在绝缘聚合物基板4上，绝缘聚合物基板4厚度优选范围为0-10mm。电极阵列也可通过其他任意方式单独存在于绝缘聚合物2下面，而不依附于绝缘聚合物4。因此，当绝缘聚合物基板4的厚度范围为0mm时，电极阵列层5就没有设置绝缘聚合物基板4，而只有电极阵列。此时，绝缘聚合物层2贴合且覆盖在所述电极阵列的其中一侧上。故，电极阵列层5可以不设置绝缘聚合物基板4，而只有电极阵列。
电极阵列的每个电极3能够是任何一种导电的材料，如导电高分子、不锈刚等；优选为金、银、钼、铝、镍、铜、钛、烙、锡及其合金中的一种。在本实施例中，电极3采用金属电极，相应的电极阵列为金属电极阵列。每个电极3的形状优选为正方形或者圆形。电极阵列中每个电极3直径和间距可为任意尺寸，优选范围为直径0.1-10mm，间距为0.1-10mm。电极阵列的密度可为0到无穷大，优选范围为0.1-1mm。电极阵列中每个电极3都为独立电极，等距排列，不与其他电极串联或者并联。每个电极3都独立与检测装置(图未示)相连，通过电极3感应液滴1与绝缘聚合物层2界面区的电荷转移量，电极3由此通过所述检测装置形成独立的电信号。所述检测装置通过这些独立的电信号得到液滴1在绝缘聚合物层2上的整个运动轨迹。液滴摩擦纳米发电机和检测装置可以构成电荷转移实时监测仪的主要器件，电荷转移实时监测仪用于液滴的运动过程中的电荷转移实时监测仪。检测装置可为电流检测装置，电压检测装置或电荷检测装置，对应的电信号为电流信号，电压信号或电荷信号。
本发明的电荷转移实时监测仪可以应用在高分辨电荷分布监测方法中，如一种长程距离下液滴在疏水界面滑动过程中的高分辨电荷分布监测方法，其包括以下步骤：提供所述液滴的运动过程中的电荷转移实时监测仪；当液滴1在疏水界面长程距离滑动时，所述电荷转移实时监测仪的电极3通过所述电荷转移实时监测仪的检测装置形成独立的电信号，通过这些独立的电信号得到长距离下液滴在疏水界面滑动过程中的高分辨电荷分布轨迹。
当液滴1滑过第二摩擦层时，根据检测到的电信号能够确定此位置的电荷转移，因此当液滴1滑过电极阵列时，每个独立电极3位置上的电荷转移就被记录，就可以得到整个运动轨迹上的电荷分布图。第二摩擦层的表面与电极阵列结构的表面贴合，电极阵列为摩擦发电机的电压和电流输出电极。绝缘聚合物层2和电极阵列层5的外侧边缘可通过胶带连接，在本实施例中，第二摩擦层与电极阵列的外侧边缘能够通过胶带等方式连接。
与现有技术相比，目前对液固界面间电荷转移的研究主要采用原子力显微镜，单电极和双电极摩擦纳米发电机。单电极和双电极液滴摩擦纳米发电机不能在X轴和Y轴上实现水滴运动轨迹上的微观高分辨电荷分布。而原子力显微镜虽然分辨率非常高，但是因为对样品尺度有要求，并不适用于在厘米以上级别的整个水滴的运动过程中的电荷转移实时监测。因此本发明的高密度电极阵列的像素液滴摩擦纳米发电机：
1.可以实时监测长程距离下水滴在疏水界面滑动过程中的高分辨电荷分布，电荷空间分辨率可达400μm；单电极和双电极的液滴摩擦纳米发电机得到的电荷转移数据为一个点或两个点，无法观察到液滴在运动过程中的转移电荷的微观变化，而本发明可以实现这一点。
2.应用场景广泛。可以应用于材料表面物理，化学性质的微观快速检测，也可以用于生物薄膜表面性质的微观检测。比如固体材料的疏水性，粗糙度，液滴的接触角和酸碱性，细胞的微观运动等的测定。而这些微观尺度的性能测定目前所存在的摩擦纳米发电机都无法实现。
3.可以将本发明的液滴摩擦纳米发电机作为探针在液固界面间实时微观电荷转移监测中进行应用。
综上，本发明提出的一种阵列液滴摩擦纳米发电机的制备方法工艺简单、可批量生产，且工艺兼容性优异，不受材料等限制，电荷空间分辨率可达400μm。这是一种以新颖的原理和方法为基础的新型探针技术，它很可能会为化学，物理，材料和生物等领域的研究和应用开辟新的研究方法。
实施例2
液滴摩擦纳米发电机以液滴在高分子聚合物表面滑动摩擦产生电荷转移为基础。如图2所示，一个矩形的(5cm×10cm)全氟乙烯丙烯共聚物薄膜(即绝缘聚合物层2，厚度范围为10-50μm，带背胶，附图3中的FEP)，粘贴在高分子聚合物绝缘层的聚甲基丙烯酸甲酯基底(厚度1mm)上。所述高分子聚合物绝缘层为电极阵列层5，所述聚甲基丙烯酸甲酯基底为绝缘聚合物基板4。高分子聚合物绝缘层的表面镶嵌有铜电极阵列(附图3中Electrodearray，电极阵列密度为每平方厘米排布有144个独立电极，电极阵列按12列×36排的方式排布)作电极。电极阵列在这里的作用为感应液滴与高聚物界面区的电荷转移量。该器件的制备工艺简单，能够大规模生产。
如图2所示，高分子聚合物绝缘层的聚甲基丙烯酸甲酯表面镶嵌有铜电极阵列，该电极阵列的电极3贯穿聚甲基丙烯酸甲酯基底，电极阵列底部的电极3与多通道电流计相连接，电极阵列按12列×36排的方式排布。
图3是高密度电极阵列像素液滴摩擦纳米发电机探针原理的图解。当液滴1在器件(即绝缘聚合物层的绝缘聚合物层2)上滑动时，液滴1与全氟乙烯丙烯共聚物薄膜发生互相接触和摩擦。滑动摩擦导致电子由液滴1转移到全氟乙烯丙烯共聚物薄膜表面，在这个过程中还存在液滴中的阳离子少量吸附到全氟乙烯丙烯共聚物薄膜表面，导致静电荷在界面处生成，液滴1表面主要带正电荷，而全氟乙烯丙烯共聚物薄膜表面主要带负电荷，由于聚合物膜本身是绝缘的，所以感应电荷不会被迅速导走或中和。为了抵消感应电荷，电极阵列将感应出电性相反的自由电荷，而感应到的自由电荷在外电路导通的情况下将发生中和，通过负载进而形成外电流。整个电荷转移过程参见附图3。
图4即为采用本发明的阵列液滴摩擦纳米发电机得到的水滴滑过FEP膜表面时的电荷分布图，电荷空间分辨率可达400μm，可以观察微观下的电荷转移信息。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种液滴摩擦纳米发电机，其特征在于，
电极阵列层(5)，其包括电极阵列；所述电极阵列中的每个电极(3)都为独立电极单独输出至一个外电路，且等距排列；
绝缘聚合物层(2)，其贴合且覆盖在所述电极阵列的其中一侧上，绝缘聚合物层(2)供液滴(1)在绝缘聚合物层(2)上滑动摩擦，由此相应电极(3)感应液滴(1)与绝缘聚合物层(2)界面区的电荷转移量。
2.如权利要求1所述的液滴摩擦纳米发电机，其特征在于，电极阵列层(5)还包括：
绝缘聚合物基板(4)，电极阵列镶嵌在绝缘聚合物基板(4)中且两侧裸露在绝缘聚合物基板(4)的相对两侧上；绝缘聚合物层(2)贴合在绝缘聚合物基板(4)镶嵌有所述电极阵列的其中一侧上且覆盖所述电极阵列。
3.如权利要求1所述的液滴摩擦纳米发电机，其特征在于，绝缘聚合物层(2)的聚合物材料为薄膜材料，固体材料或经过化学修饰和细胞附着的化学生物材料；
和/或，绝缘聚合物层(2)的表面为疏水表面。
4.如权利要求3所述的液滴摩擦纳米发电机，其特征在于，绝缘聚合物层(2)的聚合物材料为聚甲基丙烯酸甲酯，或尼龙，或氯乙烯，或聚二甲基硅氧烷，或聚四氟乙烯，或半导体材料；和/或，绝缘聚合物层(2)的厚度为1μm-100μm。
5.如权利要求1所述的液滴摩擦纳米发电机，其特征在于，电极(3)采用导电高分子材料或不锈刚材料制成，或采用金、银、钼、铝、镍、铜、钛、烙、锡及其合金中的一种材料制成；
和/或，电极(3)的形状为正方形或者圆形；
和/或，电极(3)的直径范围为0.1-10mm；
和/或，所述电极阵列中的电极(3)的间距范围为0.1-10mm；
和/或，所述电极阵列的密度范围为0.1-1mm。
6.如权利要求2所述的液滴摩擦纳米发电机，其特征在于，绝缘聚合物层(2)和电极阵列层(5)的外侧边缘通过胶带连接；
和/或，绝缘聚合物基板(4)的厚度范围为1-10mm。
7.如权利要求2所述的液滴摩擦纳米发电机，其特征在于，所述绝缘聚合物层(2)采用全氟乙烯丙烯共聚物薄膜，厚度范围为10-50μm；
所述绝缘聚合物基板为聚甲基丙烯酸甲酯基底。
8.一种在液滴的运动过程中的电荷转移实时监测仪，其特征在于，其包括：
如权利要求1至7中任意一项所述的液滴摩擦纳米发电机；
检测装置，所述液滴摩擦纳米发电机中的每个电极(3)都独立与所述检测装置电性连接；通过电极(3)感应液滴(1)与绝缘聚合物层(2)界面区的电荷转移量，电极(3)由此通过所述检测装置形成独立的电信号；所述检测装置通过这些独立的电信号得到液滴(1)在绝缘聚合物层(2)上的整个运动轨迹。
9.如权利要求8所述的在液滴的运动过程中的电荷转移实时监测仪，其特征在于，所述检测装置为电流检测装置、电压检测装置或电荷检测装置，相应的电信号对应为电流信号、电压信号或电荷信号。
10.一种长距离下液滴在疏水界面滑动过程中的高分辨电荷分布监测方法，其特征在于，其包括以下步骤：
提供如权利要求8或9所述的在液滴的运动过程中的电荷转移实时监测仪；
当液滴(1)在疏水界面长距离滑动时，所述电荷转移实时监测仪的电极(3)通过所述电荷转移实时监测仪的检测装置形成独立的电信号，通过这些独立的电信号得到长距离下液滴在疏水界面滑动过程中的高分辨电荷分布轨迹。
11.将如权利要求1至7中任意一项所述的液滴摩擦纳米发电机作为探针在液固界面间实时微观电荷转移监测中的应用，或在材料表面物理、化学性质的微观快速检测中的应用，或在液体化学和物理性质的检测中的应用，或在生物薄膜表面性质的微观检测中的应用，或在细胞和病毒的快速检测中的应用。
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