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液固接触起电是一种经典的物理现象，也是分析流体状态的重要途径。摩擦纳米发电机（TENG）的发明实现了比传统液固发电机高几个数量级的瞬时输出，是研究液固接触起电现象的先进工具。利用TENG开发新型的摩擦电探针，它可以短时间内原位计算液固接触时的电荷量，这对于检测液固界面的电荷转移也是一个巨大的优势。然而，液固接触起电是一个十分复杂的物理化学过程，极易受溶液中离子含量、pH和分子氢键的干扰，尤其是对于成分复杂的混合流体。解析基于混合溶液的液固接触起电现象，并提升摩擦电探针在多种液体环境中的应用潜力，一直是TENG领域由基础研究迈向产业化进程中极具挑战且十分迫切的研究方向。
近日，王双飞院士团队利用摩擦电探针研究了蔗糖溶液的液固接触起电过程，提出了流体力学状态、分子间氢键以及离子吸附的混合干扰机制。利用摩擦电探针对蔗糖溶液梯度式的电信号反馈，从而实现了蔗糖浓度的高效传感（灵敏度为-0.0038%-1，同时响应时间为90ms）。这项成果以题为“Liquid-Solid Triboelectric Probes for Real-TimeMonitoring of Sucrose Fluid Status”发表在了《AdvancedFunctional Materials》。
论文链接： https://doi.org/10.1002/adfm.202304321
图1 用于蔗糖传感的摩擦电探针。（a）用于探测蔗糖溶液的摩擦电探针，插图展示了摩擦电探针的实物图；（b）溶液中氢键的形成以及电荷转移示意图；（c）不同溶液导致铜探针转移电荷量的差异；（d）氧原子与氟原子之间的电子转移示意图。
图2 液固摩擦电探针的工作原理及性能优化。（a）液固电荷探针的工作原理示意图；（b）液固探针的两端电极探测的短路电流曲线图；（c）有限元模拟的液固接触起电电势分布云彩图；（d）液固探针的两端电极探测的开路电压曲线图；（e）不同角度液固探针的性能优化；（f）不同长度液固探针的性能优化；（g）不同电极宽度下液固探针的性能优化；（h）不同铜电极尺寸液固探针的性能优化。
图3 液固摩擦电探针的传感性能。（a）不同毛细管下蔗糖液滴尺寸的光学照片，对溶液进行染色以突出显示；（b）理论计算与实验测试管径对蔗糖液滴体积的影响；（c）不同管径对开路电压的影响；（d）理论计算与实验测试浓度对蔗糖液滴体积的影响；（e）不同蔗糖浓度在液固探针上的开路电压；（f）不同蔗糖溶液在FEP表面的水接触角光学图像；（g）不同浓度蔗糖溶液的电荷曲线；（h）液固探针对蔗糖浓度的传感灵敏度；（i）液固探针对蔗糖浓度的传感响应时间；（j）液固探针对蔗糖浓度的传感稳定性。
图4 蔗糖溶液接触起电的原理。（a）蔗糖和水分子的电势模拟示意图；（b）蔗糖溶液和水溶液的FT-IR；（c）不同浓度下蔗糖溶液的pH和电导率趋势图；（d）蔗糖分子、水分子和氢氧根形成氢键的示意图；（e）水和蔗糖溶液摩擦起电原理示意图，为了简化模型，采用S符号代替蔗糖分子；（f）通过探针探测水和蔗糖溶液转移电荷的对比图；（g）通过法拉第杯探测蔗糖溶液和水溶液的电荷趋势图。
图5 液固摩擦电探针应用于蔗糖流体检测。（a）液固探针应用于智能工厂的示意图，插图i为液固探针的安装及信号获取方式示意图，插图ii为用于无线传感的检测装置；（b）液滴滴定高度对液固探针的影响；（c）蔗糖溶液温度对液固探针的影响；（d）不同流体流速下液固探针的性能；（e）有线和无线模式下液固摩擦电探测的输出性能比较；（f）无线模式下用于检测流体的液固探针，；（g）无线模式下用于检测流体浓度的液固探针，插图为传感信号接收端（手机）的实物图
本研究报道了一种可用于检测蔗糖流体浓度的摩擦电探针。研究结果表明，蔗糖溶液影响液固接触电性能的原因可能有三个方面。首先，蔗糖的溶解改变了溶液的流体力学特性，减小了液滴尺寸和液固接触面积。其次，蔗糖分子与水分子形成氢键，从而阻碍了与固体发生电荷转移的数量。最后，蔗糖的加入增加了溶液中的离子含量，从而产生更强的电荷屏蔽效果。基于以上发现，该摩擦电探针已成功应用于蔗糖浓度传感，获得了优异的传感灵敏度（-0.0038%-1）和响应时间（90 ms）。该摩擦电探针还应用于蔗糖液的在线监测，实现了对蔗糖浓度和流体状态的实时无线传感。这项工作有助于理解溶液微观特征与宏观摩擦电性能之间的构效关系，并为构建可持续的智能传感器提供了有前景的解决方案。
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