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“人造闪电” 可驱动产生微等离子体

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摩擦纳米发电机直接驱动微等离子体射流示意图

a:摩擦纳米发电机直接驱动微等离子体射流示意图

作为物质的第四态,等离子体在核聚变、生物医学、航空航天等领域均有重要应用,如加强灭菌效果、改变材料表面特性等。但目前,通常的等离子体产生方法(如利用压电材料、太阳能)受限于电源、储能装置等,较难实现轻量化、移动化。

b:摩擦电微等离子体与人体皮肤接触

华人科学家的一项研究或可打破上述诸多限制。该研究由中科院外籍院士、美国佐治亚理工学院教授王中林领衔,其团队提出摩擦电微等离子体的概念,在大气环境下,通过摩擦纳米发电机直接收集机械运动产生微等离子体(≤1mm的等离子体)。相关成果近日发表于《自然—通讯》。

作为物质的第四态,等离子体在核聚变、生物医学、航空航天等领域均有重要应用,如加强灭菌效果、改变材料表面特性等。但目前,通常的等离子体产生方法(如利用压电材料、太阳能),则受限于电源、储能装置等,较难实现轻量化、移动化。

“类似于利用自然界闪电放电的原理,产生并收集等离子体。”论文第一作者之一、清华大学机械系副研究员程嘉向《中国科学报》记者解释道,闪电是由于云层内冰晶间相互摩擦产生高压电场,击穿空气形成瞬间放电,“我们的方法就是利用摩擦起电效应,使TENG持续输出高电压,用于远程建立高压电场击穿气体,生成等离子体”。

不过,华人科学家的一项研究或可打破上述的诸多限制。该研究由中国科学院外籍院士、美国佐治亚理工学院教授王中林领衔,其团队提出摩擦电微等离子体的概念,在大气环境下,通过摩擦纳米发电机直接收集机械运动产生的微等离子体(≤1mm的等离子体)。相关研究结果近日发表于《自然—通讯》。

“人造闪电”这一想法来自于两个不同领域的碰撞。2017年,该团队在一次学术讨论中提出,TENG具有高电压输出的特性,而激发产生等离子体恰好需要高压电场。于是他们大胆设想,何不将二者结合起来,利用摩擦发电机直出高电压的特性,依靠机械能驱动产生等离子体放电,制造一种便携、自驱动的等离子体发生装置。

“类似于利用自然界闪电放电的原理,产生并收集等离子体。”论文第一作者之一、清华大学机械系副研究员程嘉向《中国科学报》记者解释道,闪电是由于云层内冰晶间相互摩擦产生高压电场,击穿空气形成瞬间放电,“我们的方法,就是利用摩擦起电效应,使TENG持续输出高电压,用于远程建立高压电场击穿气体,生成等离子体。”

值得一提的是,国内外此前并没有利用TENG驱动产生等离子体的相关研究。研究人员将等离子体与TENG结合起来,利用TENG直接驱动四种典型的等离子体放电模式:介质阻挡放电、大气压非平衡态等离子体射流、电晕放电和微火花放电,实现机械驱动产生微等离子体。

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