港大新發現顛覆靜電傳統觀 首揭電荷轉移過程中離子作用 為新型發電機效能奠基

「接觸帶電現象」是指當兩種不同材料接觸後分離時產生靜電的過程，有關現象可應用於影印、噴塗、能量收集及自供電感應器等情境，用途相當廣泛。針對其中的基礎科學原理，香港大學機械工程系助理教授申東民領導的團隊，首次揭示了離子（ions）在電荷轉移過程中的關鍵作用，並發現相關作用會隨着環境濕度變化而改變，不單深化科學界對接觸帶電的理解，並為設計穩健可靠的摩擦起電材料提供了可行策略，為提升相關新型發電機的效能奠基。 ●香港文匯報記者 高鈺

接觸帶電現象於日常生活經常發生，科普實驗中以絨布摩擦膠尺，或是在冬天穿脫毛衣和觸碰金屬門柄，均會有靜電出現。按傳統理解，靜電僅是由電子轉移產生，但申東民團隊提出突破性證據顛覆既有認知，成功確認當兩種固體表面接觸時，電子與離子會同時發生轉移。研究團隊採用三種薄膜材料——陰離子型離聚物Nafion 211、陽離子型離聚物FAA-3及非離子聚合物尼龍，與氟化乙烯丙烯（FEP）薄膜進行摩擦實驗，透過熱衰變分析與先進表面離子檢測技術，首次能夠清晰地分離並測量電子與離子轉移的貢獻。

離子作用隨濕度環境改變

研究顯示，不同的離聚物材料在電荷轉移行為上存在顯著差異，過程中濕度大大放大了離子的作用：在相對濕度超過50%的情況下，離子轉移不僅增強了表面電荷密度，更能抵消濕氣導致的電荷流失。值得注意的是，即使僅有不足2%的離子穿越界面，其對穩定與增強靜電荷的影響力仍超乎預期，能有效穩定並強化摩擦起電。

為進一步揭示其內在機制，港大團隊進行了分子動力學模擬，結果顯示，水分子在離聚物薄膜內部形成連續的納米級通道，使可移動離子得以向界面擴散，從而解釋了為何高濕環境會促進離子電荷轉移。

有利開闢環保技術

研究論文的共同第一作者馬曉婷指，團隊通過使用Nafion和FAA薄膜作為模型系統，對陰離子和陽離子在不同濕度下的行為差異獲得了獨特見解，更是首次明確地分離和測量電子和離子在固體接觸起電中的貢獻。申東民表示，是次研究具廣泛影響，透過量化固體接觸分離中電子和離子轉移的百分比，可以為開發在潮濕環境中仍穩定運作的接觸帶電材料提供新的設計原理，「這不僅推動了基礎科學的發展，也為印刷、塗層、環境監測和能量收集等環保技術開闢了實用途徑。」

研究亦證明，若在非離子聚合物表面引入離子，能顯著提升其耐濕性，有助設計高效的摩擦起電材料。團隊進一步將 Nafion與FAA薄膜整合至摩擦式納米發電機（TENGs）中，確認發電機即使於潮濕環境亦能保持穩定輸出，成功點亮78顆LED陣列，並在數千次循環後仍具良好性能。

有關成果已於《先進功能材料》期刊發表。