講座主題：摩擦高壓靜電場作用機理與新應用
主講人： 程嘉
工作單位：清華大學
活動時間：2020年10月16日19:00-20:00
講座地點：騰訊會議：558 651 684
主辦單位：煙臺大學機電汽車工程學院
內容摘要：
如果說哪種發現對人類世界產生的影響是決定性的，那么電一定算是其中之一。如今電力在我們的生活中無處不在，人類的衣食住行無不依賴于電力。然而令很多人沒有想到的是，生活中令人避之不及的摩擦靜電，收集起來也可以讓人類擁有俯首即是的新能源，而這要得益于一種被稱為摩擦納米發電機（TENG）的裝置。當兩種不同材料在外力作用下互相接觸（摩擦）時，其表面會由于摩擦起電效應帶有不同電性的靜電荷，同時會在材料背面電極上感生出異種電荷；當接觸表面受外力分離時則會在電極間產生電勢差，若電路閉合則會形成電荷流動。基于摩擦起電效應與靜電感應原理的摩擦納米發電機最早由王中林院士于2012年提出，可以有效將環境中的低頻機械能（例如：振動、水波、風、人體運動甚至雨滴）轉化為電能，是一種具有較高內部容抗的電荷源，主要包括四種工作模式——垂直接觸分離式、水平滑動式、單電極式和獨立層式。
TENG具有結構簡單、成本低廉、柔彈性強、低頻高效、電壓較高和選材廣泛等顯著特點。與電磁發電相比，TENG在低頻（<5Hz）條件下擁有更高的輸出特性，是電磁發電機的有益補充。近年來TENG在微納能源、自驅動傳感、海洋能發電、高壓電源等領域取得了諸多豐碩的成果，在可穿戴設備、物聯網、5G等技術對分布式能源日漸依賴的時代，擁有極大的應用潛力。例如，利用TENG可利用海浪發電組成“藍色能源”，可以收集心臟跳動能量為心臟起搏器供電，可以產生千伏高壓電離液體用于質譜分析，可以感知人體皮膚微小振動實現人機交互……
摩擦納米發電機天然具有高電壓（幾千伏）、低電流（幾微安）的輸出特性，在外接電極間容易產生高壓靜電場，在特定場景下是一種理想的高壓電源，被看作是未來TENG發展的一個重要方向。清華大學及其科研合作團隊主要在TENG驅動的摩擦靜電場作用機理與新應用方面取得了一些研究成果：
緣于探尋一種更簡單、有效激發微等離子體的方法，基于TENG提出“摩擦電微等離子體”（Triboelectric Microplasma）概念，即只利用機械能遠程驅動、調控微等離子體放電，無需電源和真空環境；提出等離子體器件容抗匹配的調控方法，實現放電功率提高1個數量級；提出摩擦電微等離子體發射光譜檢測氣體種類的新方法；提出機械運動直接驅動摩擦高壓靜電場激發Ar/Hg等離子體放電產生紫外線的方法；揭示了低頻靜電場作用下等離子體作用機理，探究電子溫度、數密度、電勢等時空演化規律與調控機制；實現了直飲水殺菌、化學檢測與紫外固化；提出摩擦靜電場輔助細胞打印技術，打印微球中細胞活性達92%以上；經測量單個微液滴攜帶電量低于商業電源打印的液滴，成球度高，對細胞電損傷更小更安全；通過高速攝像機與兩相流仿真對比，揭示微液滴在摩擦高壓靜電場下頸縮、斷裂、破碎、下落的運動學、動力學與電學機理；該技術還成功應用于導電墨水的電噴射打印；揭示了摩擦靜電場對水中Cu離子濃度擴散的促進機制；提出一種適用于野外的直飲水殺菌裝置，實現細菌平均失活率達6 logs，成本不足RMB 70元。
相關研究成果已在Nature Communications等頂級期刊上發表SCI論文12篇，其中IF>10的11篇，其中以（共同）第一/通訊作者身份發表7篇（包括Nano Energy封面、封底各1篇），近3年Scopus總引用207次，申請發明專利13項，已獲授權3項。多次受邀參加國際學術會議并擔任分會主席。研究成果被中國科學報、新華網、Advanced Science NEWS、科技縱覽（IEEE Spectrum中文版）等多家科技媒體以專題形式報道。在中國科學院網站、Facebook、YouTube等國內外媒體上被多次關注和轉載。
主講人介紹：
程嘉，博士，副研究員。2002年本科畢業于清華大學機械工程系，2008年于清華大學精密儀器與機械學系獲博士學位。之后在清華大學光學工程博士后流動站工作，于2013年晉升為副研究員。2016年至2018年在美國佐治亞理工學院作訪問學者。2014年獲“清華大學青年教師教學優秀獎”（青教獎，青年教師教學最高榮譽，10人/年）和清華大學第六屆“青年教師教學大賽理工組一等獎”，2019年獲“清華大學優秀碩士學位論文指導教師”稱號，2019年獲清華大學“教學成果一等獎”，曾獲“清華大學優秀班（級）主任二等獎”。
共發表EI論文40篇，其中SCI論文21篇，其中11篇影響因子IF>10.0，Scopus引用282次，其中他引177次，第一作者論文單篇最高引用53次。申請國家發明專利31項，已授權21項。以(共同)第一作者/通訊作者身份在Nature Communications(IF=12.121)、Nano Energy(IF=16.602)、Advanced Energy Materials(IF=25.245)、Advanced Functional Materials(IF=16.836)、Science Bulletin(IF=9.511)等Top期刊上發表論文7篇，其中2篇論文分別入選Nano Energy封面、封底文章。
主持承擔國家自然科學基金、國防科技創新特區、國家科技重大專項等多項項目，負責總經費達3500余萬元。申請國家發明專利31項，獲得授權22項，獲軟件著作權6項。曾獲得2009年度國家科技進步二等獎。負責起草了IC裝備行業首個國家標準“含工藝腔室類集成電路裝備設計信息模型”（2020/03/01實施）。擔任國防科技創新特區***計劃***重點項目責任專家，***主題專家組辦公室主任、中國生物醫學工程學會康復工程分會委員等多項社會服務工作。
