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摩擦奈米發電機

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摩擦奈米發電機 （Triboelectric Nanogenerator, TENG），又稱奈米摩擦發電機，是一種基於摩擦起電效應與靜電感應原理的機械能轉換技術[1]。由美國喬治亞理工學院的王中林團隊於2012年首次提出。[2][3]

技術起源與發展背景

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摩擦起電效應早在古希臘時期就已被發現，然此效應通常被認為是負面效應。在十八世紀，科學家開始系統性地研究這一現象，並建立了「摩擦序列表」[2]。其中，王中林團隊在研究氧化鋅奈米線的壓電效應時，試圖透過機械變形產生電能，卻偶然發現意料之外的電信號[4]。進一步分析，發現這些電信號並非來自壓電效應，而是源自材料接觸分離的摩擦靜電荷[5]，推翻過去摩擦起電效應僅是表面局面效應的認知[6]，經過團隊一年的研究後，並於2012年首次提出，將宏觀摩擦電效應與奈米結構結合[7][8]，實現機械能轉換成電能的高效轉換。[9][10]

工作原理

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摩擦起電效應

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兩種不同材料接觸後分離，因電子親合能不同，電子轉移在表面形成靜電荷。

靜電感應

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帶電材料分離產生電位差，驅動外部電路的電子流動，以交流電輸出。[11]

四種工作模式

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垂直接觸分離式（CS模式，Vertical Contact-Separation Mode）

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奈米摩擦發電機的垂直接觸分離式

利用材料之間垂直方向的反覆接觸與分離，產生周期性的電位變化，常用於壓縮釋放運動中。當兩種不同材料的摩擦層相互接觸時，由於摩擦起電效應，材料表面會產生電子轉移。一種材料帶正電荷，另一種材料帶負電荷。當兩個摩擦層開始分離時，由於電荷守恆定律，它們的表面會帶有相反的電荷，在兩個電極之間會產生電位差。當外部電路連接到兩個電極時，為了平衡電位差，電荷會在外電路中流動，形成電流脈衝。當摩擦層再次接觸時，電荷會流回，形成反向電流脈衝。透過周期性的電位變化，持續產生交流電輸出。

摩擦奈米發電機的水平滑動式

水平滑動式（LS模式，Lateral Sliding Mode）

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利用材料橫向滑動產生電荷，適合旋轉或線性運動的機械能收集。當兩個摩擦層在水平方向上相互滑動摩擦時，會持續產生摩擦起電效應，導致電荷在材料表面累積。由於摩擦層帶有電荷，在電極上產生靜電感應。當滑動方向改變時，感應電荷的極性也隨之改變，造成電位差變化。持續產生交流電輸出。

摩擦奈米發電機的單電極式

單電極式（SE模式，Single-Electrode Mode）

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僅需單一電極，以接地電極為參考電位，適用於自由移動物體的能量收集。摩擦層與物體摩擦時產生電荷，當帶電荷的摩擦層靠近或遠離接地電極時，會在其上感應出相反極性的電荷。當摩擦層運動時，接地電極上的感應電荷會不斷變化，導致電荷在外部電路中流動，產生電流。

自由摩擦層式（FT模式，Freestanding Triboelectric-Layer Mode）

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此模式利用一對對稱的導電電極，當物體自由移動改變相對位置時形成不對稱電荷分布，從而產生電流。兩個摩擦層相互摩擦時，各自帶上相反的電荷。由於兩個摩擦層都是獨立的，電荷可以在它們之間自由轉移。當它們相對運動時，電荷會在兩個摩擦層之間來回流動。 在摩擦層背面連接的電極上，會因電荷的流動而產生電流。持續產生交流電輸出。[2][7][12]

應用領域

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摩擦奈米發電機可輸出高達10千伏的電壓，適用於高壓電源或驅動低功耗設備[13]；能將機械訊號轉換為電訊號，應用於風速感測、人體動作監測等，與物聯網連用[7][14]；利用波浪能驅動浮筒結構，結合齒輪與凸輪機構實現摩擦材料週期性接觸分離[15]

相關條目

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參考資料

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  1. ^ 被電到了! 靜電靈感催生"摩擦奈米發電機" ｜ 公視新聞網 PNN. 公視新聞網 PNN. 2018-01-10 [2025-02-16] （中文（繁體））. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 物理雙月刊,Bonnie. 摩擦起電效應不再惱人－摩擦奈米發電機的誕生與演化 - 物理專文 - 新聞訊息 - 物理雙月刊. pb.ps-taiwan.org. [2025-02-16] （中文（臺灣））. 
  3. ^ Choi, Dongwhi; Lee, Younghoon; Lin, Zong-Hong; Cho, Sumin; Kim, Miso; Ao, Chi Kit; Soh, Siowling; Sohn, Changwan; Jeong, Chang Kyu; Lee, Jeongwan; Lee, Minbaek. Recent Advances in Triboelectric Nanogenerators: From Technological Progress to Commercial Applications. ACS Nano. 2023-06-27, 17 (12). ISSN 1936-0851. PMC 10312207 可免费查阅. PMID 37219021. doi:10.1021/acsnano.2c12458. 
  4. ^ News Center Features | Georgia Institute of Technology. news.gatech.edu. [2025-02-16]. 
  5. ^ Kim, Weon-Guk; Kim, Do-Wan; Tcho, Il-Woong; Kim, Jin-Ki; Kim, Moon-Seok; Choi, Yang-Kyu. Triboelectric Nanogenerator: Structure, Mechanism, and Applications. ACS Nano. 2021-01-26, 15 (1). ISSN 1936-0851. doi:10.1021/acsnano.0c09803. 
  6. ^ Shin, Eui-Cheol; Ko, Jae-Hyeon; Lyeo, Ho-Ki; Kim, Yong-Hyun. Derivation of a governing rule in triboelectric charging and series from thermoelectricity. Physical Review Research. 2022-05-17, 4 (2). doi:10.1103/PhysRevResearch.4.023131. 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 Wayback Machine (PDF). mse.mcut.edu.tw. [2025-02-16]. 
  8. ^ Zhang, Nannan; Cheng, Zihang; Liu, Dongsheng; Gao, Zihao; Mao, Yupeng. Advancements in triboelectric nanogenerator applications for health monitoring. AIP Advances. 2024-10-10, 14 (10). ISSN 2158-3226. doi:10.1063/5.0227686. 
  9. ^ 衣服摩擦可發電！興大研究登國際期刊 | IDCSA, NCHU. idcsa.nchu.edu.tw. [2025-02-16]. 
  10. ^ Zhu, Guang; Peng, Bai; Chen, Jun; Jing, Qingshen; Lin Wang, Zhong. Triboelectric nanogenerators as a new energy technology: From fundamentals, devices, to applications. Nano Energy. Special issue on the 2nd International Conference on Nanogenerators and Piezotronics (NGPT 2014). 2015-05-01, 14. ISSN 2211-2855. doi:10.1016/j.nanoen.2014.11.050. 
  11. ^ 摩擦电纳米发电机的理论系统,Nano Energy - X-MOL. www.x-mol.com. [2025-02-16] （中文（中国大陆））. 
  12. ^ 科技导报. 摩擦纳米发电机基础研究和技术创新进展 | 科技导报_手机网易网. www.163.com. 2023-10-26 [2025-02-16] （英语）. 
  13. ^ 综述：摩擦纳米发电机最新进展：从技术进步到产业化应用_发展_方向. www.sohu.com. [2025-02-16]. 
  14. ^ 智能感測奈米發電機：材料世界網. 材料世界網. [2025-02-16]. 
  15. ^ Wayback Machine (PDF). mse.mcut.edu.tw. [2025-02-16]. 
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