摩擦起电效应(Triboelectriceffect，或称Triboelectriccharging)，是接触起电(Contactelectrification)现象中的一种，指的是当两种不同材料经过接触后，其表面会开始产生带电的现象。在日常生活中，我们都可以常感受到此现象，如梳头发、穿衣服及开门等动作。

摩擦起电效应最早是在公元前六世纪就被发现，十八世纪时开始被详细探讨，并逐渐有科学家建立起摩擦序列表(Triboelectricseries)。这张表可以用来了解不同材料经过接触后，其表面所能够携带正、负电的相对能力。

一、摩擦发电

这么多年过去，大家对此效应的感受，普遍只有对生活带来的不方便，甚至极易造成公共危险。自年起，美国乔治亚理工学院的王中林教授研究团队，成功翻转了摩擦起电效应的负面形象，将之发展成可以有效转换环境中机械能的关键技术，他将这关键技术命名为摩擦纳米发电机(缩写为TENG)。

摩擦纳米发电机发展至今，已被成功验证不仅具能源收集功能，更因其本身转换的电输出会随施加的环境因素程度而有所不同。即意味本身也可以用来感测施加的环境因素，且不需外部电源即可工作。这种特性，就是自驱动传感器的精髓。

制作摩擦纳米发电机所需的设备及流程并不复杂，且元件的大小及规格可轻易变换，帮助其在不同领域的应用都可以提供切入点做结合。因此在这几年已演变成机械能收集及自驱动传感器等研究领域最热门的技术。

自摩擦纳米发电机的技术被研发出来以后，摩擦起电效应不但变成科学家极力想重新探讨、了解的现象，更是决定摩擦纳米发电机效能的关键因素。因摩擦纳米发电机的电输出大小，便是由材料接触后，表面所能转移的电子数目所决定。

以下便以常用的接触材料：尼龙及聚四氟乙烯作介绍。摩擦纳米发电机的工作原理主要是结合了摩擦起电效应及静电场诱导：假设在材料接触前，表面并不带电则当摩擦纳米发电机受外力而导致尼龙及聚四氟乙烯接触时，由于摩擦起电的效应，会导致尼龙表面的电子转移至聚四氟乙烯的表面，使尼龙表面带正电，聚四氟乙烯表面带负电。

当施加于摩擦纳米发电机的外力消失，同时将表面带电的尼龙及聚四氟乙烯分开，此时会导致一电位差的产生，为了平衡此电位差，电子便会从聚四氟乙烯下方的导电电极流向尼龙上方的导电电极。产生电输出，最终因达到电位的平衡而不再有电输出。

当外力又开始施加于摩擦纳米发电机使尼龙及聚四氟乙烯靠近时，由于存在于尼龙及聚四氟乙烯表面的电荷并不会马上消失，靠近的行为便会导致电位差的减小，电子此时会从尼龙上方的导电电极流向聚四氟乙烯下方的导电电极，产生另一波的电输出，最终因尼龙及聚四氟乙烯完全接触而使电位差回归到零。

由此工作原理我们可以得知只要能重复使尼龙及聚四氟乙烯两个材料进行接触、分开的动作，摩擦纳米发电机便能持续的产生电输出。事实上为了达成此目的，已有许多具不同机械结构的摩擦纳米发电机被提出，也成功验证了可以收集环境中不同来源的机械能。

由前述的摩擦序列表，我们知道使用不同材料做组合来接触，因摩擦起电效应导致的电子转移数目也会不一样，最终摩擦纳米发电机所能产生的电输出也会有所不同。

当不以机械能收集为目的时，只要能成功在接触材料上修饰探针，其辨识到目标侦测物后便会因接触组成的改变而导致量测到的电输出讯号有所不同。此时摩擦纳米发电机变转身一变，成为不需供电的自驱动化学传感器。

二、工作原理

摩擦纳米发电机的技术演变至今，主要提出了四种工作原理以配合不同的应用方向。包括了垂直接触分开模式(CS)、水平滑动模式(LS)、单电极模式(SE)和非接触摩擦起电层模式(FT)等。

垂直接触分开模式使用于相对运动垂直界面。导电电极之间的电位差变化以及外部回路电流的流动取决于接触材料之间的间隙；水平滑动模式使用于相对位移的方向平行界面，并且可以通过设计使元件以旋转的方式工作。

通过导电电极数目的增加，提高摩擦纳米发电机的电输出频率，如后述的脚踏车范例。单电极模式则以大地为参考电极，可以从自由移动的物体中收集能量，例如打字，行走和交通工具的移动，因此应用范围最为广泛，不过电输出较小。

而非接触摩擦起电层模式是在单电极模式为基础发展的，但它不是使用地面作为参考电极，而是使用一对对称导电电极。当物体自由移动时会改变其相对位置，导致电荷在对称导电电极上形成不对称的分布，进而产生电输出。

摩擦纳米发电机在近几年的重点研究方向，包含如何克服元件在工作时不会受到湿度效应的影响，以及接触材料因长时间工作而有的耗损问题。我们提出的一个解决方法是利用液体来取代传统的固体当作接触材料，也发现此举可以降低前面提到摩擦纳米发电机的缺点。

事实上液体与固体接触后也会因摩擦起电效应而产生电子转移的现象，这是人们早已知道的事。如在化工产业中，工人会尽量避免有机溶剂在塑料管中运送时，因摩擦起电效应产生火花，进而导致爆炸的危险。而在利用液体与固体接触来设计摩擦纳米发电机时，最关键的技术莫过于如何使液体在与固体接触后可以有效分开。

因为液体不像固体可以利用机械结构的设计，达到接触后分开的动作。我们假设以水为液体组成当作例子，此时的固体材料最好就具备疏水表面的特质，而一般生活中常用的疏水材料就是聚四氟乙烯(俗称铁氟龙，英文名称为Polytetrafluoroethene，缩写为PTFE)。

事实上，直接利用环境中的水当作接触材料来设计液体-固体摩擦纳米发电机，可大幅简化元件结构，并且广泛使用于收集环境中各式的水能量，如海浪、河流、雨滴，甚至家庭或工厂中的废水。这些都是已成功的范例。

而摩擦纳米发电机的应用，首先就是收集环境中的机械能。此元件因具备指叉型电极结构，故具备高电输出频率的特色，也极易整合于如自行车等交通载具上，配合其轮胎运动，直接供给警示、照明设备驱动所需的电力，达到不需使用电池，可完全自我供电的目标。

三、生活应用

相比传统利用电磁感应的发电模块，旋转摩擦纳米发电机具备较轻、薄及低成本等优势，更重要的特点是在低频转动时就可提供较高的输出电压。此元件也可被用于收集风能、水流能等。

另外，随着近十年来穿戴式装置风潮的兴起，医疗诊断的发展也朝穿戴式传感器方向迈进。然而在发展过程中，电力问题一直是个考验。主要原因为穿戴式传感器会受限于体积的限制，而无法搭载大容量的电池。

随着科技的进步，穿戴式传感器的功耗将越来越小，因此科学家提出一个概念，就是将穿戴式传感器的所需电力，回归到最基础且本质的人类自身。利用我们每天的活动，即会不断产生各种机械能。通过摩擦生电的方式，将这些微小但却最易取用的能量，转变为穿戴式传感器所需的电力。

自供电感测器除了具备不需供电即可工作的优点，由于不需使用电源，也可大幅缩小传感器尺寸。对于第三世界国家、偏远地区或军事用途，具有不可取代之地位。目前发展虽还未达到此理想境界，但仍可提供方便之处，通过纳米发电机转换出的电力，直接帮穿戴式传感器的电池充电，可以降低因电池需频繁充电所带来的不方便性。

事实上，所有的材料接触后都可以产生摩擦起电现象，也都可以被用来设计成摩擦纳米发电机。有科研团体

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