“人造闪电”可驱动产生微等离子体

摩擦纳米发电机直接驱动微等离子体射流示意图

作为物质的第四态，等离子体在核聚变、生物医学、航空航天等领域均有重要应用，如加强灭菌效果、改变材料表面特性等。但目前，通常的等离子体产生方法（如利用压电材料、太阳能）受限于电源、储能装置等，较难实现轻量化、移动化。

华人科学家的一项研究或可打破上述诸多限制。该研究由中科院外籍院士、美国佐治亚理工学院教授王中林领衔，其团队提出摩擦电微等离子体的概念，在大气环境下，通过摩擦纳米发电机（TENG）直接收集机械运动产生微等离子体（≤1mm的等离子体）。相关成果近日发表于《自然—通讯》。

“类似于利用自然界闪电放电的原理，产生并收集等离子体。”论文第一作者之一、清华大学机械系副研究员程嘉向《中国科学报》记者解释道，闪电是由于云层内冰晶间相互摩擦产生高压电场，击穿空气形成瞬间放电，“我们的方法就是利用摩擦起电效应，使TENG持续输出高电压，用于远程建立高压电场击穿气体，生成等离子体”。

“人造闪电”这一想法来自于两个不同领域的碰撞。2017年，该团队在一次学术讨论中提出，TENG具有高电压输出的特性，而激发产生等离子体恰好需要高压电场。于是他们大胆设想，何不将二者结合起来，利用摩擦发电机直出高电压（kV）的特性，依靠机械能驱动产生等离子体放电，制造一种便携、自驱动的等离子体发生装置。

值得一提的是，国内外此前并没有利用TENG驱动产生等离子体的相关研究。研究人员将等离子体与TENG结合起来，利用TENG直接驱动四种典型的等离子体放电模式：介质阻挡放电、大气压非平衡态等离子体射流、电晕放电和微火花放电，实现机械驱动产生微等离子体。

程嘉表示，这四种等离子放电模式证明了TENG可以直接驱动等离子体放电，而不需要任何电源、变压器或复杂管理电路。并且，通过简单改变TENG、等离子体放电器件、调整升压电路，可以轻易地实现或变换多种等离子体放电模式，控制其放电性能。

大连理工大学教授王友年表示：“传统的放电模式是采用电源放电，而此项研究则是采用摩擦起电产生电荷，将高电压‘引’出来，进行放电。”由于气体放电产生的等离子体是发光的，因此，肉眼就可以直观地感受到效果。此外，此研究能够实现摩擦起电产生等离子体，并能控制放电的稳定性、监测放电信号，这是一大亮点。

而对于“机械驱动产生微等离子体”的应用前景，中科院院士、清华大学教授雒建斌认为，这项研究本身是一个非常有创意的工作，如果能大幅度提高或改善TENG摩擦的频率、产生电压的强度等，那么，该方法或可对等离子体的发展提供一种新可能，“不过离真正规模化应用还有很长一段路要走”。