摩擦起電

　　摩擦起電，相信人們都不陌生。大家都學過比較經典的摩擦起電小實驗，使用梳子在頭發上摩擦，之后用梳子去靠近紙屑，發現紙屑會“跑”到梳子上。

　　其原理是一個物體與另一個物體摩擦，使兩種物體表面電子產生足夠高的能量，從而發生轉移。摩擦后兩物體表面帶有等量異種電荷。一般來講，具有較強摩擦起電能力的材料一般為導電性能差的絕緣體，電子在絕緣體上持續積累并保持一段時間，形成靜電。靜電吸引導致紙屑“跑”到梳子上。

　　靜電現象在生活或生產中一般被當做不良反應，例如生活中人體靜電電壓最高能達 2 萬伏，在觸碰導體時會“發麻”；飛機與空氣摩擦會干擾射頻信號發射；靜電還可能引燃易燃易爆品等等。

　　但是，如何采用合適的策略處理靜電，變不利為有利呢？科學家們給出了答案。

　　摩擦納米發電機

　　中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士于 2012 年首次研制成功摩擦納米發電機，發展基于摩擦起電的自驅動能源系統，將“不良反應”為我所用。

　　摩擦納米發電機的工作原理非常簡單。當兩種不同的物體摩擦時，其表面會產生等量的異種電荷，當兩個物體分開后，正負電荷也就分開了，這樣附著在兩個物體上的電極就會感應出電勢差，這就相當于一個電池，當兩個電極連接負載或在短路狀態下，感應電勢差就會驅動電子通過外電路流動產生電流。

摩擦納米發電機（圖片來自網絡）

　　摩擦納米發電機不僅可以將生活中走路、跑步等機械能收集并轉化為電能，而且輸出的電信號可以作為自驅動傳感器應用于觸摸傳感。因此，摩擦納米發電機在能源和傳感領域具有重要的應用價值。

　　人體和動物體內蘊藏著大量的能量，如何有效的利用這些能量，就涉及到摩擦納米發電機的生物醫學應用。

　　摩擦納米發電機的生物醫學應用

　　中科院北京納米能源與系統研究所李舟研究員在 2014 年首次研制成功植入式摩擦納米發電機，隨后在心臟起搏器供能、脈搏傳感、心內壓傳感、成骨細胞分化、殺菌、可降解電子器件的研究中做出了非常有意義的工作?；谥踩胧侥Σ良{米發電機的能源及傳感器件已經在神經系統、心血管系統、細胞調節、細菌防止和可降解電子器件等領域逐步發展壯大，并且在一些新的領域中嶄露頭角。

　　由于植入環境的特殊性，對摩擦納米發電機材料的生物安全性、柔韌性提出了很高的要求。同時，水形成的液體環境會嚴重影響摩擦納米發電機的輸出，就需要對器件做封裝處理。科學家們最近研究出一種新的解決方案，使器件在封裝和植入之后，摩擦層能夠有效分離，并且保持穩定、高性能的電學輸出。

摩擦納米發電機的生物醫學應用

　　磁鐵互斥結構的植入式摩擦納米發發電機

　　最近，李舟課題組又發明了一種輸出穩定的植入式摩擦納米發電機。由于磁鐵的同級斥力，摩擦納米發電機在封裝和植入后電學性能保持很好的穩定性。2.5 cm 直徑的器件在封裝和植入后可產生高達 70 V 的穩定電壓輸出。

磁鐵互斥結構植入式摩擦納米發電機

　　磁鐵互斥結構的植入式摩擦納米發電機用于腫瘤治療

　　我們都知道，化學治療是適用范圍最廣的腫瘤治療手段，但仍然具有很多的問題，包括嚴重的毒副作用和較低的治療效果。因此科學家將化療藥物阿霉素裝載入紅細胞膜內，這樣，紅細胞就可以將阿霉素帶到腫瘤部位定點發揮作用，減少阿霉素與正常細胞的接觸，降低阿霉素的使用量，從整體上降低化療藥物的毒副作用。

磁鐵摩擦納米發電機改變細胞膜通透性

　　將磁鐵互斥結構的植入式摩擦納米發電機與叉指電極或微針電極結合，構建高場強電場控制紅細胞膜的通透性，實現了精準控制紅細胞膜內藥物釋放的效果。精準的藥物釋放控制使得藥物對腫瘤的殺死效率大大提升。該體系在小鼠實體瘤上實現了低濃度給藥劑量前提下優異的腫瘤治療效果，并顯著提高了荷瘤小鼠的生存周期。

磁鐵摩擦納米發電機控制藥物遞送用于腫瘤治療

　　相關研究拓寬了植入式摩擦納米發電機在生物醫學領域的研究范圍，并對穿戴式和植入式電子醫療領域的發展進步具有重要的意義。相關研究發表在國際期刊《先進功能材料》上（Adv. Funct. Mater.2019, 1808640, doi.org/10.1002/adfm.201808640

　　來源：中國科學院北京納米能源與系統研究所

總結

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