Влажность усиливает роль ионов в генерации статического электричества

Исследователи из Гонконгского университета (HKU) под руководством профессора Дон-Мён Шина из департамента машиностроения представили новые данные о роли ионов в переносе заряда, подчеркнув, что этот вклад зависит от уровня влажности окружающей среды.

Это открытие проливает свет на контактное электричество – явление, при котором статическое электричество возникает при соприкосновении и последующем разделении двух различных материалов. Этот эффект имеет значение для множества технологий, включая фотокопиры, распыление красок, сбор энергии и самопитающиеся датчики.

Вызов устоявшимся представлениям о переносе заряда

В своем исследовании, опубликованном в журнале Advanced Functional Materials под названием "Quantifying Electron and Ion Transfers in Contact Electrification with Ionomers" (Количественная оценка переноса электронов и ионов при контактном электричестве с иономерами), команда представила доказательства одновременного переноса как электронов, так и ионов при контакте двух твердых поверхностей. Это противоречит давнему убеждению, что за генерацию статического электричества отвечают исключительно электроны.

Ученые протестировали три типа пленок: анионный иономер Nafion 211, катионный иономер FAA-3 и неионный полимер Nylon, протирая их о фторированную этиленпропиленовую (FEP) пленку.

Были проанализированы процессы затухания заряда под воздействием тепла, а также применены передовые методы для обнаружения поверхностных ионов. Это позволило измерить вклад электронов и ионов в перенос заряда.

Удивительная роль влажности в переносе ионов

Было обнаружено, что различные иономерные материалы демонстрируют разное поведение при переносе заряда, при этом влажность значительно усиливает роль ионов. При относительной влажности выше 50% перенос ионов не только увеличивал плотность поверхностного заряда, но и компенсировал снижение, обычно вызванное влагой. Примечательно, что, несмотря на перемещение менее 2% ионов через границу раздела, их влияние было неожиданно значительным – они играли ключевую роль в стабилизации и усилении статических зарядов.

Для понимания этого механизма команда использовала компьютерное моделирование, которое показало, что молекулы воды, абсорбированные иономером, образовывали в материале микроскопические каналы. Эти каналы позволяли ионам более свободно перемещаться к поверхности, особенно в условиях повышенной влажности.

Перспективы для технологий и материалов

«Это первый случай, когда мы смогли однозначно разделить и измерить вклад электронов и ионов в твердое контактное электричество», – отметил доктор Сяотин Ма, один из ведущих авторов статьи.

«Используя пленки Nafion и FAA в качестве модельных систем, мы получили уникальное представление о том, как положительные и отрицательные ионы ведут себя по-разному в зависимости от влажности».

Профессор Шин подчеркнул более широкое значение исследования: «Количественно оценивая перенос электронов и ионов при контакте, мы можем разрабатывать новые стратегии для создания материалов, которые надежно работают даже во влажной среде. Это не только расширяет фундаментальное научное понимание, но и открывает новые возможности для экологически чистых технологий, таких как печать, покрытия, мониторинг окружающей среды и сбор энергии».

Команда также обнаружила, что введение ионов на поверхность неионного полимера значительно повысило его устойчивость к влажности, предложив практический подход к созданию прочных трибоэлектрических материалов. После интеграции пленок Nafion и FAA в трибоэлектрические наногенераторы (TENGs) устройства демонстрировали стабильную выходную мощность даже во влажных условиях, успешно питая массив из 78 светодиодов и сохраняя производительность на протяжении тысяч циклов.