我一直希望能夠出版一部關(guān)于物質(zhì)接觸起電的書，使它可以幫助廣大讀者全面了解接觸起電。接觸起電是最為人知、隨處可見的現(xiàn)象，它在自然界中無時無刻不在發(fā)生，但人們卻缺乏對其深入的科學(xué)認(rèn)識。我認(rèn)為，在過去的幾個世紀(jì)中，接觸起電的研究一直是被科學(xué)界忽視的領(lǐng)域，這可能是因為接觸起電在許多情況下會產(chǎn)生負(fù)面影響，如引發(fā)火災(zāi)和放電。然而，隨著摩擦納米發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)，接觸起電可能會成為第五大應(yīng)用。因此，系統(tǒng)地了解接觸起電變得尤為重要。《物質(zhì)的接觸起電》系統(tǒng)地總結(jié)了該領(lǐng)域的重大進(jìn)展，介紹液態(tài)、固態(tài)和/或氣態(tài)系統(tǒng)中的接觸起電，對接觸起電效應(yīng)及其各種應(yīng)用進(jìn)行最新的綜述。

——王中林

接觸起電（contact-electrification，CE）是指兩種不同物質(zhì)在直接接觸并分離時產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移的過程。這種現(xiàn)象在日常生活中通常被稱為摩擦起電（triboelectrification，TE），是產(chǎn)生靜電的一個基本過程。摩擦起電的主要特征是兩個物體接觸時發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致一個物體帶正電，另一個物體帶負(fù)電。實際上，CE 是液體、固體和氣體之間任何兩種物質(zhì)表面之間普遍存在的現(xiàn)象。

摩擦起電的發(fā)展歷史

盡管自古希臘以來記錄和研究摩擦起電已有2600多年的歷史，但人類對其機(jī)理的研究一直進(jìn)展緩慢且對其的研究十分復(fù)雜，這可能是因為不同的科學(xué)家群體從不同角度看待這一現(xiàn)象，同時缺乏合適的技術(shù)手段也限制了相關(guān)研究的開展。由于摩擦起電常被視為一種負(fù)面效應(yīng)，因此對其研究的動力也相對不足。然而，近年來摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的發(fā)明從根本上改變了這一局面，它將接觸起電從一種“負(fù)面效應(yīng)”轉(zhuǎn)化為一種可利用的高效能源技術(shù)。《物質(zhì)的接觸起電》系統(tǒng)地總結(jié)了該領(lǐng)域的重大進(jìn)展，介紹液態(tài)、固態(tài)和/或氣態(tài)系統(tǒng)中的接觸起電，對接觸起電效應(yīng)及其各種應(yīng)用進(jìn)行最新的綜述。

物質(zhì)的接觸起電

王中林等著

北京 : 科學(xué)出版社, 2026. 3.

ISBN 978-7-03-084798-0

本書的前半部分（第1 章～ 第8 章）主要涉及與接觸起電相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)，具體內(nèi)容概述如下。

第1章

接觸起電（摩擦起電）簡介

王中林，王琦

旨在簡要介紹摩擦起電效應(yīng)研究的簡史。本章還總結(jié)了摩擦起電效應(yīng)對人類文明的重大貢獻(xiàn)。通過介紹摩擦起電效應(yīng)及相關(guān)應(yīng)用的新進(jìn)展，以加快與摩擦起電效應(yīng)相關(guān)的科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展。本章為后續(xù)各章的內(nèi)容奠定了基礎(chǔ)。

第2章

接觸起電量化表征方法

鄒海洋，林世權(quán)，丁相天，王中林

介紹了接觸起電量化表征方法。描述了從納米尺度到宏觀尺度量化表面電荷密度的基本技術(shù)，并介紹了為量化接觸起電而制定的標(biāo)準(zhǔn)。這些技術(shù)的建立對于研究各種界面的電荷轉(zhuǎn)移過程至關(guān)重要。

第3章

摩擦起電及相關(guān)現(xiàn)象的量子理論

Lok C. Lew Yan Voon，Morten Willatzen

探討了對接觸起電的理論理解，還介紹了半經(jīng)典量子理論和第一性原理量子理論。與實驗進(jìn)展相比，接觸起電的理論研究仍處于初步階段，未來仍需開展更多的工作。

第4章

金屬和絕緣體界面的接觸起電

陳翔宇，王中林

主要介紹與肖特基勢壘相關(guān)的電荷轉(zhuǎn)移過程，并研究絕緣體-金屬界面的電子轉(zhuǎn)移。該研究通過原子力顯微鏡相關(guān)的探針技術(shù)進(jìn)行。通過改變樣品溫度或施加偏置電壓，實驗結(jié)果表明，主要的電荷是電子。

第5章

絕緣體-絕緣體界面的接觸起電

許程，王中林

主要討論了絕緣體與絕緣體之間的接觸起電。首先介紹了能帶模型，該模型有助于理解材料間的電子轉(zhuǎn)移，主要通過能帶圖并引入表面態(tài)來進(jìn)行相關(guān)描述。然后詳述了2018 年王中林首次提出的電子云模型，該模型為理解物質(zhì)中的接觸電荷提供了更普遍的視角。假設(shè)電子轉(zhuǎn)移是接觸起電的主導(dǎo)過程，電荷轉(zhuǎn)移僅可能發(fā)生在原子間密切接觸且電子波函數(shù)強(qiáng)重疊的區(qū)域。此外，還介紹了多種電荷釋放機(jī)制。

第6章

半導(dǎo)體界面的接觸起電——摩擦伏特效應(yīng)

林世權(quán)，丁相天，王中林

介紹了半導(dǎo)體界面接觸起電的基本原理，重點討論了王中林于2019 年首次提出的摩擦伏特效應(yīng)這一新發(fā)現(xiàn)。以n 型半導(dǎo)體在p 型半導(dǎo)體表面滑動為例，界面上兩個原子之間的結(jié)合會釋放出一種結(jié)合能，稱為鍵合子，這種能量可能以內(nèi)部光子的形式存在，能夠激發(fā)局部的電子-空穴對。在pn 結(jié)的內(nèi)建電場作用下，這些電子-空穴對被分離，從而產(chǎn)生直流電輸出。目前，這一效應(yīng)已成為研究動態(tài)半導(dǎo)體界面?zhèn)鬏敽湍芰渴占男屡d領(lǐng)域。

第7章

液-固界面接觸起電

魏迪

系統(tǒng)地描述了液-固界面上的電荷轉(zhuǎn)移，重點討論了導(dǎo)體、電介質(zhì)和半導(dǎo)體界面上的電荷轉(zhuǎn)移過程。本章特別強(qiáng)調(diào)了雙電層（electrical double layer，EDL）的形成和動力學(xué)，EDL 是調(diào)節(jié)液-固界面電荷行為的基本結(jié)構(gòu)。研究中介紹了王氏“兩步法”模型，闡明了接觸起電在電介質(zhì)表面形成EDL 中的作用。該模型描述了界面上電子轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵因素及其對EDL 形成的初始貢獻(xiàn)。

第8章

接觸電致催化

王子銘，何沐林，楊雪燕，王中林

介紹了接觸電致催化（CEC）。該現(xiàn)象是由王中林研究組于2022 年首次提出的，指的是在液-固界面上通過接觸起電驅(qū)動電子轉(zhuǎn)移，從而促進(jìn)局部的氧化還原反應(yīng)。本章全面概述了CEC 的基礎(chǔ)理論、改進(jìn)CEC 的策略及其獨特優(yōu)勢。此外，還提出了未來研究和開發(fā)CEC 的路線圖。

本書的后半部分（第9 章～ 第12 章）講述了接觸起電的各種應(yīng)用，具體內(nèi)容概述如下。

第9章

基于固-固接觸起電的摩擦納米發(fā)電機(jī)

賴盈至，王杰

系統(tǒng)介紹了TENG 的基本理論和技術(shù)應(yīng)用。本章首先介紹了交流（AC）型和直流（DC）型兩種主要類型的TENG，并詳細(xì)闡述了交流型TENG的五種工作模式及直流型TENG 使用的兩種類型。本章還討論了固-固TENG 的性能優(yōu)化，包括材料選擇、環(huán)境控制和電荷激勵等方面。此外，還綜述了TENG 在作為微/納米電源（如收集人體運動能量、體內(nèi)機(jī)械能、振動能和風(fēng)能）、作為自供電傳感器（包括觸覺、生物力學(xué)、聲學(xué)、人體生理和化學(xué)傳感）、藍(lán)色能源和高壓電源等領(lǐng)域的應(yīng)用。

第10章

基于液-固接觸起電的摩擦納米發(fā)電機(jī)

程綱，張金洋，秦懷方

介紹了基于液-固接觸起電的TENG 應(yīng)用，包括水能收集和傳感系統(tǒng)。TENG 已被證明是測量電荷轉(zhuǎn)移和液-固界面的有效探針，這對基礎(chǔ)化學(xué)研究具有重要意義。本章詳細(xì)介紹了利用液-固接觸起電的TENG 應(yīng)用的最新進(jìn)展，主要包括能量收集、傳感和TENG 探針等方面。這些應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)液體動能轉(zhuǎn)化為電能、自供電的微流控或化學(xué)傳感，以及液-固界面的相關(guān)研究。

第11章

摩擦伏特納米發(fā)電機(jī)

張弛，張之

介紹了利用摩擦伏特效應(yīng)的創(chuàng)新能源轉(zhuǎn)換裝置——摩擦伏特納米發(fā)電機(jī)（TVNG）。該裝置在機(jī)械零部件、多源能量俘獲、智能柔性器件和自供電傳感等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。本章還展示了摩擦伏特效應(yīng)在不同場景下的廣泛適應(yīng)性和高效性，同時為未來智能系統(tǒng)和新能源技術(shù)的發(fā)展提供了寶貴的指導(dǎo)。

第12章

接觸電致催化的應(yīng)用

唐偉，姜鵬

介紹了CEC 的應(yīng)用，包括污染物降解、二氧化碳捕獲、重要化學(xué)品的合成（如過氧化氫合成和氨合成）、資源回收（如鋰離子和貴金屬）、癌癥治療方面。CEC 在溫和的條件下具有很高的反應(yīng)效率，這使其區(qū)別于需要更高條件的其他催化過程。CEC 的一個顯著優(yōu)勢是其催化劑的廣泛選擇范圍，包括許多傳統(tǒng)的有機(jī)和無機(jī)材料。此外，CEC 的應(yīng)用范圍已經(jīng)從固-液界面擴(kuò)展到液-液界面，如油-水界面，在這些界面上，液-液接觸電致催化可誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移，推動氧化還原反應(yīng)，類似于固-液系統(tǒng)，這為液體界面的催化過程開辟了新的可能性，而傳統(tǒng)催化方法在這些界面可能不太有效。

本書能為物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)及電氣工程等領(lǐng)域的研究生和科研人員提供重要的教學(xué)與研究參考，希望大家共同推動這個古老而嶄新的領(lǐng)域邁向未來。

本文摘編自《物質(zhì)的接觸起電》（王中林等著. 北京 : 科學(xué)出版社, 2026. 3）一書“前言”，有刪減修改，標(biāo)題為編者所加。

ISBN 978-7-03-084798-0

責(zé)任編輯: 李明楠 李麗嬌

接觸起電在日常生活中常被稱為摩擦起電，是自然界中普遍存在的基本物理現(xiàn)象之一。盡管其歷史可追溯超過2600年，但其微觀機(jī)理的科學(xué)研究長期進(jìn)展緩慢且復(fù)雜。近年來，摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的發(fā)明從根本上改變了這一局面，它將接觸起電從一種“負(fù)面效應(yīng)”轉(zhuǎn)化為一種可利用的高效能源技術(shù)。本書系統(tǒng)地總結(jié)了該領(lǐng)域的重大進(jìn)展。

其中第一部分深入闡述接觸起電的基礎(chǔ)科學(xué)，包括其研究歷史與貢獻(xiàn)、表面電荷的量化方法與標(biāo)準(zhǔn)、半經(jīng)典與第一性原理量子理論探索，并分別詳述了金屬-絕緣體、絕緣體-絕緣體、半導(dǎo)體-半導(dǎo)體界面的電子轉(zhuǎn)移機(jī)理與模型（如電子云模型、摩擦伏特效應(yīng)），以及液-固界面電荷轉(zhuǎn)移與雙電層形成的王氏“兩步法”模型，最后介紹了新發(fā)現(xiàn)的、能驅(qū)動氧化還原反應(yīng)的接觸電致催化（CEC）。第二部分則全面展示了基于這些基礎(chǔ)原理的顛覆性應(yīng)用，涵蓋了摩擦納米發(fā)電技術(shù)、基于摩擦伏特效應(yīng)的新型直流納米發(fā)電機(jī)TVNG，以及利用CEC 進(jìn)行污染物降解、重要化學(xué)品合成、資源回收乃至癌癥治療等廣闊前景。

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摩擦納米發(fā)電機(jī)

（本文編輯：劉四旦）

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