研究人员发现，当水在表面上移动时，所产生的电荷比之前理解的多达10倍。研究小组观察到，当水滴卡在一个微小的凸起或粗糙点上时，力量积聚直到它“跳过或滑过”障碍，产生了一种之前未报告的不可逆电荷。对这一现象的新理解为表面设计提供了受控电气化的基础，其潜在应用范围从提高燃料储存系统的安全性到增强能量存储和充电速率。
来自RMIT大学和墨尔本大学的研究人员发现，当水在表面上移动时，所产生的电荷比之前理解的多达10倍。
研究小组由乔·贝里博士、彼得·谢雷尔博士和阿曼达·埃利斯教授领导，他们观察到，当水滴卡在一个微小的凸起或粗糙点上时，力量积聚直到它“跳过或滑过”障碍，产生了一种之前未报告的不可逆电荷。
对水在表面上的这种“粘滑”运动的新理解为可控电气化的表面设计提供了基础，潜在应用范围从提高燃料储存系统的安全性到增强能量存储和充电速率。
“大多数人会观察到雨水以杂乱无章的方式滴落在窗户或汽车挡风玻璃上，但不会意识到它会产生微小的电荷，”谢雷尔说道，他在RMIT大学的科学学院的研究专注于捕捉和利用环境中的游离能量。
“之前，科学家认为这种现象发生在液体离开表面时，即从湿到干。”
“在这项研究中，我们展示了当液体首次接触表面时，电荷是如何产生的，当它从干变为湿时，这种电荷比从湿变干的电荷强10倍。”
“重要的是，这种电荷不会消失。我们的研究没有准确找出这种电荷居住的地方，但清楚表明它在界面上生成，并可能在水滴移动过表面时被保留。”
贝里表示，在含有易燃液体的燃料容器内的电击可能是危险的，因此在液体移动后，固体表面上的电荷积聚需要安全释放。
“理解液体在流动过程中如何以及为何生成电荷是重要的，因为我们开始采用过渡到净零排放所需的新可再生易燃燃料，”贝里说，他是墨尔本大学化学工程系的流体动力学专家。
“目前，对于现有燃料，电荷积聚通过限制流动、使用添加剂或其他措施来减少，但在新的燃料中可能无效。这一知识可能帮助我们设计涂层，以减轻新燃料中的电荷。”
团队在这项研究中调查了水与特氟龙材料（聚四氟乙烯，PTFE）的电荷效应，该研究发表在《物理评论快报》上。
特氟龙是一种常用于管道和其他流体处理材料的塑料，但它不导电，这意味着生成的电荷无法安全或轻易地去除。
团队如何进行研究
团队测量了水滴在平坦特氟龙板上展开和收缩所产生的电荷和接触区域，实际上模拟了水滴在表面上的移动。
团队使用专门的相机捕捉水滴粘附和滑动的单个帧，同时测量电荷的变化。
“我们很幸运有三位出色的化学工程硕士生作为他们在墨尔本大学课程的一部分来帮助搭建和运行我们的实验，”贝里说。
研究发现
来自墨尔本大学的第一作者和博士生陈帅佳表示，第一次水接触表面时造成的电荷变化最大，从0到4.1纳库仑(nC)。
水-表面相互作用在湿与干的阶段交替，电荷在3.2到4.1 nC之间振荡。
“换句话说，从PTFE表面上移动的水产生的电荷量比有人在蹦床上跳舞时所带来的静电冲击小超过一百万倍，”陈说。
“这个电荷量可能听起来微不足道，但这一发现可能会导致创新，以增强或抑制液体和表面相互作用中产生的电荷，适用于一系列现实世界的应用。”
下一步
团队表示，这项研究的影响依赖于与潜在行业合作伙伴开发商业技术。
研究人员计划调查其他类型液体与表面的粘滑现象。
“其他液体和表面材料之间的电荷量和速率可能与一系列潜在商业应用相关，”谢雷尔说。
“我们计划研究粘滑运动如何影响流体处理系统的安全设计，比如用于储存和运输氨和氢的系统，以及如何从液体在能量存储设备中的运动中回收电力并加速充电。”
