接触起电器件在微能源收集、多模态传感领域具有广泛的应用。然而，其背后的根本原理——接触起电具有复杂的过程，多种静电荷转移的机制之间也并不完全独立发生。因此，接触起电的转移电荷结果往往是难以预测且具有不稳定性的，这严重阻碍了接触起电应用的推广发展。接触起电不确定性的因素之一是材料本身具体的表面性质，同种材料表面纳米级结构、掺杂缺陷、残余应力等的差异都会引起起电结果的变化；另一个因素则是在材料运输、储存过程中，表面不可避免地沾染环境中存在的随机的、无序的电荷（来自与其他材料甚至是空气中的粒子接触），称之为原始电荷。这些原始电荷改变了接触起电的初始状态，进一步导致了起电结果的不确定性。接触起电结果的不确定性是目前所有接触电器件都难以回避的问题，引发相关器件输出功率不稳定、传感不精确等问题。所以，我们迫切需要寻找一个克服不确定性的途径，将接触起电的结果确定化、规范化。在这种情况下，对接触起电机制的解析和进一步探索，是从根源上指导材料设计和规避接触起电不确定性的关键。

  基于接触起电的多种机制以及上述提到造成接触起电不确定性的原因，中科院北京纳米能源与系统研究所陈翔宇研究员团队利用离子吸附特性和物质转移起电之间的互不干扰和协同共存的特点，首次设计了一种具备电荷清洗和再次赋电功能的丙烯酸酯压敏胶（PSA）接触起电材料体系ATE。接触时嵌入ATE中的离子液体（ILs）通过静电吸附彻底中和掉在材料表面的原始电荷，PSA分子链则部分黏附在接触表面，在分离时被撕扯导致分子链共价键异裂产生的电荷重新赋予接触表面确定的、归一化的电荷。离子液体吸附可以轻易地洗去吸附在材料表面的电荷，也可以中和由于接触产生的静电荷，但如何在屏蔽之后重新生成新的电荷是一个难题。电子转移产生的静电荷显然会被离子无差别屏蔽，而通过强粘性引入物质转移所产生的电荷则可以在屏蔽层之外生成，物质转移机制与离子吸附机制之间的起电效果互不影响、完美共存，使接触起电结果的稳定性得到保证。同时，由于新电荷的产生不依赖于材料的表面特性，而是源自化学键的异裂，断裂产生结果是唯一的，即断裂端的负电荷，这样一来即可突破材料不确定性的限制，使接触起电的结果具有一致性。加入粘性因子，可以控制材料黏附的部分的成分，使得共价键断裂的位置、断裂的数量符合预期，再生成的电荷的人为调控和精准控制也成为可能。所制备的ATE体系在几乎所有常用的接触起电材料表面都能产生-50至-70 μC/m²的负电荷，意味着我们可以主动地控制接触起电的过程，而不只是被动地为接触起电寻求一个合理的解释。而精准控制接触起电的结果，不仅提高了接触电器件的可靠性，也为更进一步解答界面科学中其他物理现象的机制提供了新的条件变量。

  2026年3月13日，相关结果以“Ionic and adhesive triboelectric elastomer for normalizing charge polarity and density of contact electrification with general material”发表在国际期刊Science Advance，第一作者为博士生覃思遥，陈翔宇研究员作为唯一通讯作者。

图1. 三种公认的电荷转移机制，接触起电中原始电荷的来源与克服不确定性的设计。

  在两种材料的接触界面处，由于材料表面状态的复杂性，可能会同时发生多种电荷转移机制。目前公认的三种静态电荷产生的机制是：（1）电子转移；（2）离子吸附；（3）物质转移。电子转移通常发生在功函数差异显著的表面处，在接触时机械力会促使电子转移到更低的能量状态。离子吸附包括化学吸附或物理吸附，通过离子与表面结合或由于酸碱配位或静电吸附而产生电荷。物质转移伴随着分子链上化学键的断裂，这种断裂可以在聚合物链的任何位置发生，从而在接触表面留下带有电荷的分子片段。电子转移和离子吸附之间的竞争干扰可能会发生，其中离子和电子通常会竞争占据相同的转移位点或在接触界面耦合。材料转移是独立发生的，因为材料转移过程会带来新的材料碎片和新的活性位点到接触界面。同时，电化的结果取决于断裂部位两侧的功能基团的差异，使得材料转移效应与另外两种机制并行运作。因此，通过结合离子转移和材料粘附，团队提出了这种电荷中和和可控电荷再生的双重功能作为我们工作的材料设计策略。

  通过材料设计，例如添加导电聚合物和离子液体，可以在每次接触时消除材料表面的预先存在的电荷，确保表面的电荷密度在每次电化后恢复到初始状态。同时，通过设计特定的转移物质，如在PSA中添加增粘官能团，可以在重置表面产生固定极性和固定数量的电荷，从而实现CE结果的标准化和可控性。

图2. ATE体系接触起电的机制。

  当带有原始电荷的目标材料与含有局部离子液体和高度粘性的儿茶酚基团的ATE表面接触时，在静电相互作用的驱动下，ATE表面的离子能够中和目标材料上的原始电荷。同时，儿茶酚基团通过氢键、配位键或亲核取代反应等与目标材料上的结合位点形成强结合键。分离后，转移的离子留在目标材料的表面，而碳链随着目标材料的移动而伸展。由于较低的键解离能和不均匀的电子云分布，酰胺基附近C-C键和C-N键的异裂具有更高的发生概率，从而产生负电荷片段。最后，带有负电荷的离子和碎片会留在目标材料表面，从而得到归一化的CE结果。此外，在ATE体系中，离子液体的选择和具有粘附力的基团的选择都是多样的，为提出的ATE体系具有提供了更高的适应性。

图3.对具有不同起电性能的常用材料进行起电测试，测试对象包括：FEP、PTFE、聚酰亚胺（Kapton）、铝、PA66、NBR、PDMS、聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乙烯醇（PVA）、铜（Cu）、银（Ag）、玻璃、钢和硅。

  将ATE与目前常用的多种接触起电材料接触分离，利用单电极TENG测试其在这些表面产生的起电电荷。在接触前，材料表面被清洁以达到电中性状态，确保不存在预先存在的电荷。如图3a所示，接触后，所有材料的表面通过ATE产生电荷密度，范围都在-50 μC/m²至-70 μC/m²之间。并且，对于预先充电使表面存在初始电荷密度的样品，仍能获得类似的接触起电电荷密度结果，如图3b所示。这一实验结果有力地证明了使用离子液体和高粘附力基底的ATE设计理念在接触起电归一化方面带来的显著效果。

图4 EMI⁺和TFSI^-在的PA66（a和b）以及FEP（c和d）表面分布。

  预充电的FEP和PA66分别与30cIL-PSA薄膜接触后，EMI⁺和TFSI^-在两个表面上的二维分布如图4所示。在PA66表面，接触后吸附的TFSI^-的数量（图4b）远高于EMI⁺的数量（图4b），这是因为在静电力作用下，更多的阳离子被PA66表面预接触时产生的正电荷吸引，从而吸附在PA66表面以中和正电荷。相反，在FEP表面，EMI⁺（图4c)）和TFSI^-（图4d）的分布表明，此处发生了更多的阳离子吸附以中和FEP表面预先存在的负电荷。同时，无论是在表面吸附阴离子还是阳离子，FEP和PA66与ATE的接触的CE结果都是负电荷。因此，离子液体在CE中的作用并非是产生电荷，而是中和预先存在的电荷。

图5 SiO2表面电势分布与形貌（ATE起电）。

  由ATE与SiO₂接触分离产生的电荷带来的表面电势分布以及表面形貌可以看出，负电势主要集中在由ATE斑点覆盖的，表面起伏较高区域。随着温度的升高，ATE的流动性增加，斑点逐渐扩散，这使得电势的分布也扩展并逐渐在表面上均匀分布。至此，可以确定，在与ATE接触后所产生的电荷并非主要由电子转移所致，而是源自带电的ATE分子链片段。

  ATE体系具有稳定且长期的充电效果，确保了静电传感器的稳定性和准确性，这种稳定性对于新兴的非接触传感领域，特别是静电追踪技术尤其有益。静电跟踪技术利用静电电荷产生的电场来捕捉物体的运动轨迹，在非视觉状态下实现跟踪效果。作为一种辅助性的跟踪技术，与视觉跟踪相比，它在虚拟现实、机器人控制和具身智能等领域得到了广泛应用。基于常见接触起电材料的静电跟踪技术面临着不同物体间信号变化的问题，这通常需要预先校准以确保信号的准确解读，并且还会在信号后处理中引入更多的复杂性。此外，该系统难以跟踪未知物体，因为它们的信号尚未被预先识别或输入到系统中。除此之外，在开放的跟踪环境中，物体的表面状况是随机的，这使得静电跟踪的信号识别更加困难。然而，通过确保归一化的接触起电过程，可以消除被跟踪物体信号中的随机变化，并且可以利用高度可控的静电电荷作为标记，就像蓝牙信号发射器一样，从而能够实现精确的物体跟踪。

  使用具有6×6个输出通道的传感阵列演示其静电追踪功能。整个器件有效面积为3.5×3.5 cm，每个传感器单元的宽度和高度均在3 mm以内，且该阵列可在弯曲状态下使用，从而使得传感阵列能够方便地集成到复杂的表面上。图4-43展示了在非接触模式下检测聚四氟乙烯（PTFE）和尼龙探针时静电跟踪信号的数据可视化。在与ATE接触前，由于PTFE探针和尼龙探针原始电荷不同，检测电极在相同高度上检测到不同的信号。接触后，在相同的高度，两种探针在不同的点位上观察到了同样的信号强度，这表明对不同探针进行跟踪时产生的相同电荷。因此，只要与传感器表面的ATE接触后，被追踪物体就会被带上标记电荷，此时传感信号强度就只与目标的位置相关。这样的传感效果可以在视觉受限且无法预先预测材料特性的情况下轻松排除无关变量的干扰。这一应用首次提出了将静电荷作为追踪目标的概念和方法，给CE的应用带来了新的突破，特别是在人机交互和智能机器人领域，这种非视觉的主动追踪有望赋予机器人更接近人类触觉的感官。

图6 基于ATE的传感器阵列与静电追踪功能演示。

  结论

  研究团队进行了接触起电各种机制间相互作用的探索，并成功基于离子中和效应和化学键异裂效应实现了归一化且高度可控的CE过程。根据这两种效应的结合，使用离子液体EMITFSI和PSA作为成分合成了ATE薄膜，它在CE过程中总是能够保持赋予目标材料相同极性的电荷和高度可控的电荷密度，且效果不依赖材料本征属性。在CE过程中，离子液体能够产生一种普遍适用于各种材料表面的电荷中和效应，中和接触表面原始电荷，而带有粘性基团的PSA则确保在目标表面上产生具有固定极性和几乎相同电荷密度的电荷。所有与ATE相接触的常见接触起电材料（尼龙、FEP、铝、NBR等）在其表面都会产生-50至-70 μC/m²的负电荷，无论初始表面电荷（正电荷或负电荷）是否存在。CE结果的归一化和确定性有望促进接触静电器件的实际应用，并通过将界面电荷产生的不确定性转化为更稳定和可控的过程，推动界面科学的发展。

  原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec1580