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“人造闪电” 可驱动产生微等离子体

发布时间:2018-09-26来源:科学网点击量:643
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。”


  a:摩擦纳米发电机直接驱动微等离子体射流示意图

  b:摩擦电微等离子体与人体皮肤接触(论文作者供图)

  “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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