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2019-02-01產電形式革新 未來可望打造「靜電」電源
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【本刊訊】靜電（static electricity）是相當常見的能源生成形式，然而人們對它的了解似乎不多。近日，美國紐約州立大學水牛城分校（University at Buffalo, UB）學者於《靜電學報》（Journal of Electrostatics）發布的研究指出，透過對該產電形式了解，人們有朝一日可望將其應用於小型電子設備，並創造出更持久的電源。
說到靜電，許多人大概都有在冬天時被門把電到，或看到小朋友的頭髮被「吸」在汽球上的經驗。UB力學與航太工程系助理教授陳氏（James Chen）指出，為了將靜電的能量融入電子產品中，團隊必須了解其背後的驅力為何，並表示這個奇妙的現象是由材料、物體間相互接觸後的微結構（tiny structure）改變所引起。在美國國家科學基金會（National Science Foundation）的鉅額贊助下，陳氏與堪薩斯州立大學（Kansas State University）核子工程學教授雷斯曼（Zayd Leseman），便開始針對不同材料透過摩擦後帶電的現象──摩擦起電效應（triboelectric effect）進行研究。很久以前人們就已經知道這個效應的存在，直到奈米技術的誕生，科學家才進一步得到可理解、應用摩擦起電效應的工具。
研究報告提到，材料間的摩擦帶電，可透過不同費米能階（Fermi levels）〔註一〕間的電子轉移（electron transfer）來解釋，可惜在此之前，人們對可被電極化的絕緣體──偶極子（dielectrics）中的摩擦帶電知之甚少；而表面偶極子的結構顯示，其為由接觸引發的表面晶格變形（lattice deformations）所致。此外，團隊運用基於原子場論（Atomistic Field Theory, AFT）的公式計算極化、電場與勢場（potential fields）的分布，並認為電荷轉移的驅力應來自感應場（induced fields）。該實驗不僅有機會統合現有理論，其數值結果也與已發表實驗觀察結果一致，如氧化鎂（MgO）與鈦酸鋇（BaTiO3）表面進行接觸時，其晶格變形也確實對電荷轉移有所助益。
此一研究涉足接觸力學（contact mechanics）、固體力學（solid mechanics）、材料科學、電子工程以及製造業（manufacturing）等領域，研究員正透過計算機模型與物理實驗，打造可控制並蒐集靜電的「摩擦電奈米發電機（triboelectric nanogenerators, TENGs）」。陳氏進一步解釋，這些能量來自滑手機時的手指與手機表面、手腕與智慧型手錶間，甚至是行走時的鞋面與地面，盼能透過這項技術，減少人類對傳統能源的需求。
〔註一〕絕對零度下，電子能夠填到最高的那一個能階，即稱「費米能階」，為一電化學單位。
延伸閱讀
Khalid M.Abdelaziz, Atomistic Field Theory for contact electrification of dielectrics, Journal of Electrostatics, Vol 96, 10-15, 2019.