講座主題：摩擦高壓靜電場(chǎng)作用機(jī)理與新應(yīng)用
主講人： 程嘉
工作單位：清華大學(xué)
活動(dòng)時(shí)間：2020年10月16日19:00-20:00
講座地點(diǎn)：騰訊會(huì)議：558 651 684
主辦單位：煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院
內(nèi)容摘要：
如果說(shuō)哪種發(fā)現(xiàn)對(duì)人類世界產(chǎn)生的影響是決定性的，那么電一定算是其中之一。如今電力在我們的生活中無(wú)處不在，人類的衣食住行無(wú)不依賴于電力。然而令很多人沒(méi)有想到的是，生活中令人避之不及的摩擦靜電，收集起來(lái)也可以讓人類擁有俯首即是的新能源，而這要得益于一種被稱為摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的裝置。當(dāng)兩種不同材料在外力作用下互相接觸（摩擦）時(shí)，其表面會(huì)由于摩擦起電效應(yīng)帶有不同電性的靜電荷，同時(shí)會(huì)在材料背面電極上感生出異種電荷；當(dāng)接觸表面受外力分離時(shí)則會(huì)在電極間產(chǎn)生電勢(shì)差，若電路閉合則會(huì)形成電荷流動(dòng)。基于摩擦起電效應(yīng)與靜電感應(yīng)原理的摩擦納米發(fā)電機(jī)最早由王中林院士于2012年提出，可以有效將環(huán)境中的低頻機(jī)械能（例如：振動(dòng)、水波、風(fēng)、人體運(yùn)動(dòng)甚至雨滴）轉(zhuǎn)化為電能，是一種具有較高內(nèi)部容抗的電荷源，主要包括四種工作模式——垂直接觸分離式、水平滑動(dòng)式、單電極式和獨(dú)立層式。
TENG具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、柔彈性強(qiáng)、低頻高效、電壓較高和選材廣泛等顯著特點(diǎn)。與電磁發(fā)電相比，TENG在低頻（<5Hz）條件下?lián)碛懈叩妮敵鎏匦裕请姶虐l(fā)電機(jī)的有益補(bǔ)充。近年來(lái)TENG在微納能源、自驅(qū)動(dòng)傳感、海洋能發(fā)電、高壓電源等領(lǐng)域取得了諸多豐碩的成果，在可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、5G等技術(shù)對(duì)分布式能源日漸依賴的時(shí)代，擁有極大的應(yīng)用潛力。例如，利用TENG可利用海浪發(fā)電組成“藍(lán)色能源”，可以收集心臟跳動(dòng)能量為心臟起搏器供電，可以產(chǎn)生千伏高壓電離液體用于質(zhì)譜分析，可以感知人體皮膚微小振動(dòng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互……
摩擦納米發(fā)電機(jī)天然具有高電壓（幾千伏）、低電流（幾微安）的輸出特性，在外接電極間容易產(chǎn)生高壓靜電場(chǎng)，在特定場(chǎng)景下是一種理想的高壓電源，被看作是未來(lái)TENG發(fā)展的一個(gè)重要方向。清華大學(xué)及其科研合作團(tuán)隊(duì)主要在TENG驅(qū)動(dòng)的摩擦靜電場(chǎng)作用機(jī)理與新應(yīng)用方面取得了一些研究成果：
緣于探尋一種更簡(jiǎn)單、有效激發(fā)微等離子體的方法，基于TENG提出“摩擦電微等離子體”（Triboelectric Microplasma）概念，即只利用機(jī)械能遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)、調(diào)控微等離子體放電，無(wú)需電源和真空環(huán)境；提出等離子體器件容抗匹配的調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)放電功率提高1個(gè)數(shù)量級(jí)；提出摩擦電微等離子體發(fā)射光譜檢測(cè)氣體種類的新方法；提出機(jī)械運(yùn)動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)摩擦高壓靜電場(chǎng)激發(fā)Ar/Hg等離子體放電產(chǎn)生紫外線的方法；揭示了低頻靜電場(chǎng)作用下等離子體作用機(jī)理，探究電子溫度、數(shù)密度、電勢(shì)等時(shí)空演化規(guī)律與調(diào)控機(jī)制；實(shí)現(xiàn)了直飲水殺菌、化學(xué)檢測(cè)與紫外固化；提出摩擦靜電場(chǎng)輔助細(xì)胞打印技術(shù)，打印微球中細(xì)胞活性達(dá)92%以上；經(jīng)測(cè)量單個(gè)微液滴攜帶電量低于商業(yè)電源打印的液滴，成球度高，對(duì)細(xì)胞電損傷更小更安全；通過(guò)高速攝像機(jī)與兩相流仿真對(duì)比，揭示微液滴在摩擦高壓靜電場(chǎng)下頸縮、斷裂、破碎、下落的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)與電學(xué)機(jī)理；該技術(shù)還成功應(yīng)用于導(dǎo)電墨水的電噴射打印；揭示了摩擦靜電場(chǎng)對(duì)水中Cu離子濃度擴(kuò)散的促進(jìn)機(jī)制；提出一種適用于野外的直飲水殺菌裝置，實(shí)現(xiàn)細(xì)菌平均失活率達(dá)6 logs，成本不足RMB 70元。
相關(guān)研究成果已在Nature Communications等頂級(jí)期刊上發(fā)表SCI論文12篇，其中IF>10的11篇，其中以（共同）第一/通訊作者身份發(fā)表7篇（包括Nano Energy封面、封底各1篇），近3年Scopus總引用207次，申請(qǐng)發(fā)明專利13項(xiàng)，已獲授權(quán)3項(xiàng)。多次受邀參加國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議并擔(dān)任分會(huì)主席。研究成果被中國(guó)科學(xué)報(bào)、新華網(wǎng)、Advanced Science NEWS、科技縱覽（IEEE Spectrum中文版）等多家科技媒體以專題形式報(bào)道。在中國(guó)科學(xué)院網(wǎng)站、Facebook、YouTube等國(guó)內(nèi)外媒體上被多次關(guān)注和轉(zhuǎn)載。
主講人介紹：
程嘉，博士，副研究員。2002年本科畢業(yè)于清華大學(xué)機(jī)械工程系，2008年于清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系獲博士學(xué)位。之后在清華大學(xué)光學(xué)工程博士后流動(dòng)站工作，于2013年晉升為副研究員。2016年至2018年在美國(guó)佐治亞理工學(xué)院作訪問(wèn)學(xué)者。2014年獲“清華大學(xué)青年教師教學(xué)優(yōu)秀獎(jiǎng)”（青教獎(jiǎng)，青年教師教學(xué)最高榮譽(yù)，10人/年）和清華大學(xué)第六屆“青年教師教學(xué)大賽理工組一等獎(jiǎng)”，2019年獲“清華大學(xué)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文指導(dǎo)教師”稱號(hào)，2019年獲清華大學(xué)“教學(xué)成果一等獎(jiǎng)”，曾獲“清華大學(xué)優(yōu)秀班（級(jí)）主任二等獎(jiǎng)”。
共發(fā)表EI論文40篇，其中SCI論文21篇，其中11篇影響因子IF>10.0，Scopus引用282次，其中他引177次，第一作者論文單篇最高引用53次。申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利31項(xiàng)，已授權(quán)21項(xiàng)。以(共同)第一作者/通訊作者身份在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期刊上發(fā)表論文7篇，其中2篇論文分別入選Nano Energy封面、封底文章。
主持承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)防科技創(chuàng)新特區(qū)、國(guó)家科技重大專項(xiàng)等多項(xiàng)項(xiàng)目，負(fù)責(zé)總經(jīng)費(fèi)達(dá)3500余萬(wàn)元。申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利31項(xiàng)，獲得授權(quán)22項(xiàng)，獲軟件著作權(quán)6項(xiàng)。曾獲得2009年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。負(fù)責(zé)起草了IC裝備行業(yè)首個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“含工藝腔室類集成電路裝備設(shè)計(jì)信息模型”（2020/03/01實(shí)施）。擔(dān)任國(guó)防科技創(chuàng)新特區(qū)***計(jì)劃***重點(diǎn)項(xiàng)目責(zé)任專家，***主題專家組辦公室主任、中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)康復(fù)工程分會(huì)委員等多項(xiàng)社會(huì)服務(wù)工作。
