文 | 學術頭條，作者 | 郝景，編輯 | 寇建超3zH曹操讀書網

跺跺腳、踩踩地板，家里的冰箱、電視、手機、電腦就都能充上電，你敢信？3zH曹操讀書網

地板是我們每天都會踩一踩、卻基本上不會主動去關注的東西，更不用說將其與“發電”聯系在一起了。3zH曹操讀書網

但你沒有聽錯，地板確確實實可以用來發電。3zH曹操讀書網

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近日，來自蘇黎世聯邦理工大學的 Guido Panzarasa 博士及其團隊、合作者，就制造出了一種可發電放入地板——功能化木材摩擦電納米發電機（functionalized wood triboelectric nanogenerator，FW-TENG）。3zH曹操讀書網

據了解，FW-TENG 有著比傳統 TENG 高出 80 倍以上的摩擦電輸出，未來可用于為家用設備供電、驅動微型電致變色窗，以及調節室內照明等。3zH曹操讀書網

相關研究論文以“Functionalized wood with tunable tribopolarity for efficient triboelectric nanogenerators”為題，已發表在科學期刊?Matter?上。3zH曹操讀書網

高端卻又接地氣

這種聽起來很高大上的發電地板，發電卻是通過我們生活中最常見的“摩擦電”。比如當你梳頭發時就會產生摩擦靜電，梳子會把頭發“帶”起來。3zH曹操讀書網

因為通過摩擦，頭發失去了一些電子，而梳子得到了一些電子，此時梳子帶負電、頭發帶正電，才有了摩擦起電的現象。由于兩種異性電子的相互吸引，頭發絲才會被梳子“帶”起來。3zH曹操讀書網

而這種發電地板，也正是通過人們腳踩地板時產生摩擦電，并將其輸出而“發電”的。3zH曹操讀書網

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圖｜通過踩踏可以使地板發電，因此電燈會亮（來源：該論文）3zH曹操讀書網

研究人員使用 ZIF-8（一種金屬有機框架材料）顆粒和聚二甲基硅氧烷（PDMS）對兩塊木板進行了表面改性（表面改性是指，在保持材料或制品原性能的前提下，賦予其表面新的性能，比如親水性、抗靜電性等），因此木板表面的化學和形態變化增加了木材在周期性“接觸-分離”中失去（ZIF-8@wood）或獲得（PDMS@wood）電子的能力，從而產生了電量。3zH曹操讀書網

金屬電極被連接在兩塊木板功能化貼面的背面，通過外部電路收集和轉移靜電感應電荷，因此可以產生電流，從而具有發電的功能。3zH曹操讀書網
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圖｜用ZIF-8@wood和PDMS@wood制作的FW-TENG的原理圖（來源：該論文）3zH曹操讀書網

該 FW-TENG 的工作原理是通過接觸帶電和靜電感應的耦合效應。3zH曹操讀書網

當帶正電的 ZIF-8@wood 與帶負電的 PDMS@wood 摩擦接觸，相反的靜電荷由接觸帶電產生。電子從 ZIF-8@wood 表面轉移到 PDMS@wood 表面上，產生完全平衡的靜電成對電荷。在這個階段，外電路中沒有電流。3zH曹操讀書網

一旦兩層分離， PDMS@wood 表面的負電荷不能被 ZIF-8@wood 表面的負電荷補償，導致上下電極之間產生電位差。同時，在靜電感應的作用下，電極上會產生相反的電荷。為了屏蔽該電位差，靜電感應自由電荷將通過外部負載在兩個導電電極之間流動。3zH曹操讀書網

在此過程中產生電流和電壓輸出，直到兩個電極的電位再次達到平衡。3zH曹操讀書網

一旦 ZIF-8@wood 回歸方法 PDMS@wood ，電位差將開始減小，驅動電荷向相反的方向回流，直到達到原始狀態，導致反向電輸出。3zH曹操讀書網

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圖｜摩擦電氣化過程的示意圖表示。（來源：該論文）3zH曹操讀書網

相關研究已經證明，?TENG 中的內部電路是由位移電流決定的，而在外部電路中觀察到的電流是電容導通電流。如下圖所示，內部電路和外部電路在兩個電極處匯合形成一個回路。因此，位移電流是電流產生的內在物理核心，電容導通電流是位移電流的外在表現形式。3zH曹操讀書網

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圖｜功能化木材的工作機制示意圖。（來源：該論文）3zH曹操讀書網

發電地板不可小覷

在該論文中，研究人員提出，通過組裝許多大規模優化的 FW-TENG，串聯或并聯連接更多元件，可以最大限度地提高電輸出，從而為更多能源密集型設備供電。3zH曹操讀書網

因此，研究人員制作了一個摩擦電木制地板演示器，由 6 個電連接優化的 FW-TENG 制成。其中，導線從銅箔中引出，直接連接到家用燈上，當人在木板上行走時，燈很容易就能變亮。3zH曹操讀書網

其次，這種 FW-TENG 可以為智能電致變色窗戶供電，以調節太陽光的透射率，降低照明能耗。（電致變色窗戶是一種在施加電壓時變暗，去掉電壓時變成透明的新型智能節能窗。）3zH曹操讀書網

這種 FW-TENG 不僅能實時供電，還可以將產生的電能儲存在電容器中。簡單來說，就是該 FW-TENG 可以給電池充電。就像給臺燈供電，沒有電池的臺燈只能在接通電源的情況下使用，而有電池的臺燈可以在充電一段時間后斷開電源使用，而 FW-TENG 的作用就是電源。3zH曹操讀書網

如下圖所示，剛開始計算器是沒有電的，在反復按下演示器幾秒鐘，然后將計算器連接到要供電的電容器上，計算機可顯示數字。這些概念驗證應用證明了大規模 FW-TENG 在智能建筑中的適用性。3zH曹操讀書網

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圖｜該 FW-TENG 可以為電容器充電（來源：該論文）3zH曹操讀書網

除了能發電，地板也可以很智能

早在 2013 年德國 Hasso Plattner 研究院就研發出一款基于“重力空間”的智能地板。這是一種通過壓敏傳感器和攝像頭跟蹤技術，以準確追蹤房間內人和家具的高分辨率的壓敏地板。3zH曹操讀書網

這種技術可以廣泛地應用到家庭安全、自動化以及互動游戲等領域。比如當老年人摔倒以后，地板可以自動報警。通過身份識別系統可以判斷地上站著的是哪個家庭成員等。3zH曹操讀書網

但是這種智能地板需要在玻璃地板下安裝昂貴的電子元件，維護也很困難，只能算是一款概念演示產品，這個地板可以說一點兒也不“接地氣”，不能“飛入尋常百姓家”。3zH曹操讀書網

無獨有偶，2014 年歐洲 Fraunhofer Institute 開發了 CapFloor 智能地板，這種壓敏地板的底層由金屬絲構成感應模塊，人體接觸后，電場發生變化，從而觸發整個模塊系統，功能與上述德國的地板類似。3zH曹操讀書網

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（來源：Communications in Computer and Information Science）3zH曹操讀書網

更令人滿意的是，這種材料并不需要在地板下安裝昂貴又難以維護的傳感器和電子元件，僅需鋪設金屬導線等，因此費用大大降低，使智能地板產品在實用化上邁出了一大步。3zH曹操讀書網

這種地板的安全性也相對較高，最高也只能產生 30 伏的電壓，而普通平板電腦都能產生 20 伏的電壓，由此可見這種地板對人體基本不會產生傷害。3zH曹操讀書網

當前，國內廠商在地板智能化的開發上主要聚焦在采暖方面，例如可以自發熱的地板，兼具了地板和地暖設施的雙重功效。3zH曹操讀書網

雖然很多人認為智能化地板普及的可能性不大，甚至認為是地板廠商營銷的“噱頭”，但未來智能家居的發展是一個趨勢。就像手機可以與空調互聯、遠程控制空調溫度開關等，或許以后手機也可以控制這種智能化的地板，使其在發電、監測以及自動化等方面有一定的發展。3zH曹操讀書網

科技和生活總是相輔相成。在不久的將來，這種地板或許可以通過人體的踩踏壓力或者其他方式，源源不斷地給整個家庭供電，使得人體的化學能再次轉化為電能循環利用，節約我們地球上僅有的資源，為人類的發展作出貢獻。3zH曹操讀書網

所以，你會考慮在家里鋪上這樣的地板嗎？3zH曹操讀書網

• 參考資料：3zH曹操讀書網
  https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(21)00393-33zH曹操讀書網
  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S03787788193382893zH曹操讀書網
  https://ifb.ethz.ch/woodmaterialsscience/people/group-leaders/gudo-panzarasa.html3zH曹操讀書網
  https://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-3-642-33533-4_3

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