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人造闪电摩擦纳米发电机直接收集机械运动产生的微等离子体二手仪器

文章来源:澳华机械网  |  2020-05-22

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。

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(TENG)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》。

“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。”

“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(kV)的特性,依靠机械能驱动产生等离子体放电,从而实现一种便携、自驱动的等离子体发生装置。

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。

于是,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。

程嘉表示,这四种等离子放电模式证明了TENG可以直接驱动等离子体放电,而不需要任何电源、变压器或复杂管理电路。并且,通过简单改变TENG、等离子体放电器件、调整升压电路,可以轻易地实现或变换多种等离子体放电模式,控制其放电性能。

大连理工大学教授王友年表示:“传统的放电模式是采用电源放电,而此项研究则是采用摩擦起电产生电荷,将高电压‘引’出来,进行放电。”由于气体放电产生的等离子体是发光的,因此,肉眼就可以直观地感受到效果。此外,此研究能够实现摩擦起电产生等离子体,并能控制放电的稳定性、监测放电信号,这是一大亮点。

而对于“机械驱动产生微等离子体”的应用前景,中国科学院院士、清华大学教授雒建斌认为,这项研究本身是一个非常有创意的工作,但如果能大幅度提高或改善TENG摩擦的频率、产生电压的强度等问题,那么,该方法可能对等离子体的发展提供一种新可能,“不过真正到规模化应用还有很长一段路要走”。

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