文 | 學術頭條，作者 | 郝景，編輯 | 寇建超
跺跺腳、踩踩地板，家裡的冰箱、電視、手機、電腦就都能充上電，你敢信？
地板是我們每天都會踩一踩、卻基本上不會主動去關注的東西，更不用說將其與“發電”聯絡在一起了。
但你沒有聽錯，地板確確實實可以用來發電。
近日，來自蘇黎世聯邦理工大學的 Guido Panzarasa 博士及其團隊、合作者，就製造出了一種可發電放入地板——功能化木材摩擦電奈米發電機（functionalized wood triboelectric nanogenerator，FW-TENG）。
據瞭解，FW-TENG 有著比傳統 TENG 高出 80 倍以上的摩擦電輸出，未來可用於為家用裝置供電、驅動微型電致變色窗，以及調節室內照明等。
相關研究論文以“Functionalized wood with tunable tribopolarity for efficient triboelectric nanogenerators”為題，已發表在科學期刊 Matter 上。
高階卻又接地氣
這種聽起來很高大上的發電地板，發電卻是透過我們生活中最常見的“摩擦電”。比如當你梳頭髮時就會產生摩擦靜電，梳子會把頭髮“帶”起來。
因為透過摩擦，頭髮失去了一些電子，而梳子得到了一些電子，此時梳子帶負電、頭髮帶正電，才有了摩擦起電的現象。由於兩種異性電子的相互吸引，頭髮絲才會被梳子“帶”起來。
而這種發電地板，也正是透過
高階卻又接地氣
，並將其輸出而“發電”的。
圖｜透過踩踏可以使地板發電，因此電燈會亮（來源：該論文）
研究人員使用 ZIF-8（一種金屬有機框架材料）顆粒和聚二甲基矽氧烷（PDMS）對兩塊木板進行了表面改性（表面改性是指，在保持材料或製品原效能的前提下，賦予其表面新的效能，比如親水性、抗靜電性等），因此木板表面的化學和形態變化增加了木材在週期性“接觸-分離”中失去（ZIF-8@wood）或獲得（PDMS@wood）電子的能力，從而產生了電量。
金屬電極被連線在兩塊木板功能化貼面的背面，透過外部電路收集和轉移靜電感應電荷，因此可以產生電流，從而具有發電的功能。
圖｜用ZIF-8@wood和PDMS@wood製作的FW-TENG的原理圖（來源：該論文）
該 FW-TENG 的工作原理是透過接觸帶電和靜電感應的耦合效應。
當帶正電的 ZIF-8@wood 與帶負電的 PDMS@wood 摩擦接觸，相反的靜電荷由接觸帶電產生。電子從 ZIF-8@wood 表面轉移到 PDMS@wood 表面上，產生完全平衡的靜電成對電荷。在這個階段，外電路中沒有電流。
一旦兩層分離， PDMS@wood 表面的負電荷不能被 ZIF-8@wood 表面的負電荷補償，導致上下電極之間產生電位差。同時，在靜電感應的作用下，電極上會產生相反的電荷。為了遮蔽該電位差，靜電感應自由電荷將透過外部負載在兩個導電電極之間流動。
人們腳踩地板時產生摩擦電
一旦 ZIF-8@wood 迴歸方法 PDMS@wood ，電位差將開始減小，驅動電荷向相反的方向迴流，直到達到原始狀態，導致反向電輸出。
圖｜摩擦電氣化過程的示意圖表示。（來源：該論文）
相關研究已經證明，
在此過程中產生電流和電壓輸出，直到兩個電極的電位再次達到平衡。
，而在外部電路中觀察到的電流是電容導通電流。如下圖所示，內部電路和外部電路在兩個電極處匯合形成一個迴路。因此，位移電流是電流產生的內在物理核心，電容導通電流是位移電流的外在表現形式。
圖｜功能化木材的工作機制示意圖。（來源：該論文）
TENG 中的內部電路是由位移電流決定的
在該論文中，研究人員提出，透過組裝許多大規模最佳化的 FW-TENG，串聯或並聯連線更多元件，可以最大限度地提高電輸出，從而為更多能源密集型裝置供電。
因此，研究人員製作了一個摩擦電木製地板演示器，由 6 個電連線最佳化的 FW-TENG 製成。其中，導線從銅箔中引出，直接連線到家用燈上，當人在木板上行走時，燈很容易就能變亮。
其次，這種 FW-TENG 可以為智慧電致變色窗戶供電，以調節太陽光的透射率，降低照明能耗。（電致變色窗戶是一種在施加電壓時變暗，去掉電壓時變成透明的新型智慧節能窗。）
這種 FW-TENG 不僅能實時供電，還可以將產生的電能儲存在電容器中。簡單來說，就是該 FW-TENG 可以給電池充電。就像給檯燈供電，沒有電池的檯燈只能在接通電源的情況下使用，而有電池的檯燈可以在充電一段時間後斷開電源使用，而 FW-TENG 的作用就是電源。
如下圖所示，剛開始計算器是沒有電的，在反覆按下演示器幾秒鐘，然後將計算器連線到要供電的電容器上，計算機可顯示數字。這些概念驗證應用證明了大規模 FW-TENG 在智慧建築中的適用性。
圖｜該 FW-TENG 可以為電容器充電（來源：該論文）
發電地板不可小覷
早在 2013 年德國 Hasso Plattner 研究院就研發出一款基於“重力空間”的智慧地板。這是一種透過壓敏感測器和攝像頭跟蹤技術，以準確追蹤房間內人和傢俱的高解析度的壓敏地板。
這種技術可以廣泛地應用到家庭安全、自動化以及互動遊戲等領域。
除了能發電，地板也可以很智慧
但是這種智慧地板需要在玻璃地板下安裝昂貴的電子元件，維護也很困難，只能算是一款概念演示產品，這個地板可以說一點兒也不“接地氣”，不能“飛入尋常百姓家”。
無獨有偶，2014 年歐洲 Fraunhofer Institute 開發了 CapFloor 智慧地板，這種壓敏地板的底層由金屬絲構成感應模組，人體接觸後，電場發生變化，從而觸發整個模組系統，功能與上述德國的地板類似。
（來源：Communications in Computer and Information Science）
更令人滿意的是，這種材料並不需要在地板下安裝昂貴又難以維護的感測器和電子元件，僅需鋪設金屬導線等，因此費用大大降低，使智慧地板產品在實用化上邁出了一大步。
這種地板的安全性也相對較高，最高也只能產生 30 伏的電壓，而普通平板電腦都能產生 20 伏的電壓，由此可見這種地板對人體基本不會產生傷害。
當前，國內廠商在地板智慧化的開發上主要聚焦在採暖方面，例如可以自發熱的地板，兼具了地板和地暖設施的雙重功效。
除了能發電，地板也可以很智慧
。就像手機可以與空調互聯、遠端控制空調溫度開關等，或許以後手機也可以控制這種智慧化的地板，使其在發電、監測以及自動化等方面有一定的發展。
科技和生活總是相輔相成。在不久的將來，這種地板或許可以透過人體的踩踏壓力或者其他方式，源源不斷地給整個家庭供電，使得人體的化學能再次轉化為電能迴圈利用，節約我們地球上僅有的資源，為人類的發展作出貢獻。
比如當老年人摔倒以後，地板可以自動報警。透過身份識別系統可以判斷地上站著的是哪個家庭成員等。
雖然很多人認為智慧化地板普及的可能性不大，甚至認為是地板廠商營銷的“噱頭”，但未來智慧家居的發展是一個趨勢
https：//www。cell。com/matter/fulltext/S2590-2385（21）00393-3
https：//www。sciencedirect。com/science/article/abs/pii/S0378778819338289
https：//ifb。ethz。ch/woodmaterialsscience/people/group-leaders/gudo-panzarasa。html
https：//link。springer。com/chapter/10。1007%2F978-3-642-33533-4_3
