引言

作为物质的第四态，等离子体在核聚变、激光、半导体、显示技术、生物医学、纳米技术、表面处理、航空航天等领域均扮演了重要的角色。传统的等离子体通常需要外部高压电源驱动，如直流、微波、射频等，其移动性、灵活性不可避免地受到电网或电池容量的限制。目前，通常利用压电材料、太阳能或钻石与蓝宝石相互摩擦来产生等离子体。尽管压电等离子体消除了对传统变压器的需求，但仍然需要电源作为能量输入；太阳能等离子体需要变压器和用于黑暗环境的储能装置；而摩擦等离子体（Triboplasma），则仅限于原位（in situ）应用。近年来，源自于麦克斯韦方程组中位移电流的摩擦纳米发电机（TENG）在自驱动系统中获得了广泛的应用。作为电源，TENG天然具有高电压的输出特性，目前已应用在质谱仪中定量地产生输入离子，还可通过高压电场生成纳米纤维。实际上，当操作TENG建立了较高的电势差（~kV）时，经常会出现静电放电现象，这就意味着有可能利用TENG可控地诱发连续静电放电以产生等离子体。

因此，我们提出摩擦电微等离子体（Triboelectric Microplasma）的概念，将等离子体与TENG结合起来，直接收集机械运动产生大气压等离子体。其原理为：通过摩擦起电效应产生足够高的电压，用于远程建立高压电场击穿气体，从而生成等离子体。这种方法为TENG在高压电场领域的直接应用打开了一扇门，尤其是自驱动等离子体。考虑到TENG的潜在应用和电特性，我们选择了大气压微等离子体源作为研究对象。

成果简介

2018年9月13日，清华大学机械系摩擦学国家重点实验室季林红教授团队程嘉副研究员，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士（通讯作者）等人在Nature Communications上发表了题为“Triboelectric microplasma powered by mechanical stimuli”的研究论文，程嘉，丁文伯，訾云龙为论文共同第一作者。该论文报道了通过摩擦纳米发电机（TENG）在大气环境下直接利用机械能驱动产生微等离子体放电，提出了摩擦电微等离子（Triboelectric Microplasma）概念。文章成功实现了利用TENG直接驱动四种典型的等离子体放电模式：介质阻挡放电（DBD）、大气压非平衡态等离子体射流（APNP-J）、电晕放电（Corona discharge）以及微火花放电（Microspark discharge）。通过对不同模式下的放电过程进行电学与光谱参数测量、建模与仿真分析，揭示了摩擦电微等离子体的作用机理，探索了多种参数对等离子体特性的影响规律。TENG天然具有高电压输出特性，利用机械运动可轻易获得高压电场，该研究进一步拓展了TENG在高电压领域的应用。这项工作为传统的等离子体激发方式提出了一种全新的可能，也为便携式、自驱动的等离子体应用提供了理论与实验基础。

图1 摩擦电微等离子体的实验装置及原理图。（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；（c） 具有TENG图案的介质阻挡放电（DBD）装置图；（d） 具有TENG图案的介质阻挡放电（DBD）等离子体照片；（e） 摩擦纳米发电机驱动等离子体的原理图。

图2 摩擦电微等离子体的电学特性与N2电晕放电光谱分析。（a） 电学参数测量原理图；（b-c）不同转速下TENG开路电压与短路电流；（d-f）介质阻挡放电（DBD）电学特性；（g-i）微电火花放电（Microspark）电学特性；（j）五阶升压电路（AC转DC），用于N2电晕放电；（k）N2电晕放电3条特征谱线、电流与电压随时间的同步变化；（l）N2电晕放电发射光谱。

图3 介质阻挡放电（DBD）微等离子仿真。（a） 瞬态电压、电场强度、电子数密度及电子温度随时间变化；（b-c）在不同时刻毛细管内电子数密度与电子温度的径向分布；（d）T/2时刻电子数密度分布云图；（e）在实验、等效电路模型及COMSOL模型中放电电流波形对比。

图4 不同放电模式下电学特性随电极间距的变化。（a-d）1型介质阻挡放电（DBD）装置示意图及电学特性变化，具体包括放电电流、放电时间平均数/周期、电流有效值、平均功率（下同）；（e-h）2型石英毛细管微电火花放电装置示意图及电学特性变化；（i-l）3型不锈钢针管微电火花装置示意图及电学特性变化；（m-p）放电模式随结构变化的过程。

图5 摩擦电微等离子体的应用。（a）用微等离子体处理FEP表面示意图；（b）微等离子体处理前后FEP表面接触角的变化；（c-d）微等离子体点亮“TENG”图案实物照片；（e-f）摩擦纳米发电机驱动的等离子体发光盘（Plasma disk）实物照片。

文献链接：

J. Cheng, W. Ding, Y. Zi, Y. Lu, L.H. Ji, F. Liu, C. Wu and Z. L. Wang. Triboelectric microplasma powered by mechanical stimuli. Nat. Commun. 9, 3733 (2018) https://www.nature.com/articles/s41467-018-06198-x