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「人造閃電」可驅動產生微等離子體

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2018

2018年10月11日02時 今日科學 茶無弄

茶無弄

摩擦納米發電機直接驅動微等離子體射流示意圖

作為物質的第四態,等離子體在核聚變、生物醫學、航空航天等領域均有重要應用,如加強滅菌效果、改變材料表面特性等。但目前,通常的等離子體產生方法(如利用壓電材料、太陽能)受限於電源、儲能裝置等,較難實現輕量化、移動化。

華人科學家的一項研究或可打破上述諸多限制。該研究由中科院外籍院士、美國喬治亞理工學院教授王中林領銜,其團隊提出摩擦電微等離子體的概念,在大氣環境下,通過摩擦納米發電機(TENG)直接收集機械運動產生微等離子體(≤1mm的等離子體)。相關成果近日發表於《自然—通訊》。

「類似於利用自然界閃電放電的原理,產生並收集等離子體。」論文第一作者之一、清華大學機械系副研究員程嘉向《中國科學報》記者解釋道,閃電是由於雲層內冰晶間相互摩擦產生高壓電場,擊穿空氣形成瞬間放電,「我們的方法就是利用摩擦起電效應,使TENG持續輸出高電壓,用於遠程建立高壓電場擊穿氣體,生成等離子體」。

「人造閃電」這一想法來自於兩個不同領域的碰撞。2017年,該團隊在一次學術討論中提出,TENG具有高電壓輸出的特性,而激發產生等離子體恰好需要高壓電場。於是他們大膽設想,何不將二者結合起來,利用摩擦發電機直出高電壓(kV)的特性,依靠機械能驅動產生等離子體放電,製造一種便攜、自驅動的等離子體發生裝置。

值得一提的是,國內外此前並沒有利用TENG驅動產生等離子體的相關研究。研究人員將等離子體與TENG結合起來,利用TENG直接驅動四種典型的等離子體放電模式:介質阻擋放電、大氣壓非平衡態等離子體射流、電暈放電和微火花放電,實現機械驅動產生微等離子體。

程嘉表示,這四種等離子放電模式證明了TENG可以直接驅動等離子體放電,而不需要任何電源、變壓器或複雜管理電路。並且,通過簡單改變TENG、等離子體放電器件、調整升壓電路,可以輕易地實現或變換多種等離子體放電模式,控制其放電性能。

大連理工大學教授王友年表示:「傳統的放電模式是採用電源放電,而此項研究則是採用摩擦起電產生電荷,將高電壓『引』出來,進行放電。」由於氣體放電產生的等離子體是發光的,因此,肉眼就可以直觀地感受到效果。此外,此研究能夠實現摩擦起電產生等離子體,並能控制放電的穩定性、監測放電信號,這是一大亮點。

而對於「機械驅動產生微等離子體」的應用前景,中科院院士、清華大學教授雒建斌認為,這項研究本身是一個非常有創意的工作,如果能大幅度提高或改善TENG摩擦的頻率、產生電壓的強度等,那麼,該方法或可對等離子體的發展提供一種新可能,「不過離真正規模化應用還有很長一段路要走」。


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