新闻网讯（通讯员 华小梅刘乳燕）近日，Nature Communications（《自然⸱通讯》）在线发表了电气与自动化学院唐炬教授团队在聚合物电介质材料表面电荷可视化及标准化定量方面的最新进展，论文题为“Visualization and Standardized Quantification of Surface Charge Density for Triboelectric Materials”。武汉大学李祎副研究员、肖淞副教授和中国科学院电工研究所罗毅特别研究助理为该文共同第一作者，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、中国科学院电工研究所邵涛研究员、湖北工业大学张晓星教授、东华大学熊佳庆教授为该文共同通讯作者，武汉大学为第一署名单位。
基于接触起电和静电感应原理的摩擦纳米发电机（TENG）在微纳能量收集与自供电传感等方面应用潜力巨大，而聚合物摩擦电材料的表面电荷密度本质上决定了TENG器件的输出效能。表面电荷的可视化和精准测量对深入理解接触起电、摩擦电性能调控、高性能器件研发等具有重要意义。目前，开尔文探针显微镜（KFPM）已被广泛用于微纳尺度的聚合物电荷行为表征，但针对材料宏观尺度上表面电荷的精准测量仍存在瓶颈。
本研究提出了一种非接触表面电荷可视化及定量测量方法，首先采用有源静电探头扫描获取聚合物材料表面电势分布，其次基于提出的Flexible Golub Kahan变换和Tikhonov正则化算法，实现表面电荷分布的高效反演计算。该方法相较于传统粉尘图法、Pockels效应法、视在电荷法，具有非破坏性、精度高、结构适应性强等优势，为聚合物电介质材料表面电荷的可视化、定量分析等提供了新的策略。
聚合物材料表面电荷可视化与标准化定量
进一步地，团队提出基于电晕放电的表面电荷控制策略，实现了PTFE、PFA、PVC等常见摩擦电聚合物材料的电荷极性、电荷量调控，并结合陷阱理论深入分析了电荷的存储、消散机制。其中，依托正、负极性电荷注入的PTFE实现了单一摩擦电材料的超高摩擦电输出，同时验证了该电荷注入策略具有湿度稳定性。最后，展示了所提出的表面电荷可视化及标准化定量方法在TENG器件缺陷检测，非接触电子皮肤人机交互等方面的应用潜力。
基于Flexible Golub Kahan变换和Tikhonov正则化算法的表面电荷反演算法b）不同高斯噪声下算法的表面电荷可视化反演效果c）本算法与传统电容器模型、视在电荷法的表面电荷反演对比
据悉，该研究工作得到国家自然科学基金（杰出青年、青年、面上）、中国博士后科学基金（国家资助博士后研究人员计划）等资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-49660-9
（编辑：张丽平）
