Det schematiska diagrammet över experiment. (A) CE-delar i vakuumkammare och spektrometer. (B) Mätläge A:FEP på fläktar och direktkontakt med kvarts eller akryl. (C) Optiskt fotografi av CE-delarna. (D) Arbetsprincipen för mätläge B. (E) Mätläge B:FEP fäst på kvarts eller akryl med nylon etc. på fläktar. Fotokredit:Ding Li, Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems, Chinese Academy of Sciences. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abj0349
Kontaktelektrifiering kan uppstå när fysisk kontakt uppstår mellan två material. I en ny rapport som nu publicerats på Science Advances , Ding Li, och ett team av forskare inom nanovetenskap, nanoenergi och materialvetenskap i Kina och USA, detaljerade atomärdragna fotonemissionsspektra mellan två fasta material. Elektronöverföring kan ske vid gränsytan från en atom i ett material till en annan atom i ett annat material, vid sidan av fotonemission, under kontaktelektrifiering.
Denna process kan hjälpa kontaktelektrifieringsinducerad gränssnittsfotonemissionsspektroskopi (CEIIPES) för att detektera spektroskopi som motsvarar kontaktelektrifiering vid ett gränssnitt, och påverka medvetenheten om interaktioner mellan fasta ämnen, vätskor och gaser. Fysiken i denna forskning kan utökas till röntgenstrålning, Augerelektronexcitation och elektronemission under kontaktelektrifiering, vilket återstår att utforska. Arbetet leder till ett allmänt fält som kallas kontaktelektrifieringsinducerad gränssnittsspektroskopi (CEIIS).
Triboelektrifiering
Kontaktelektrifiering är en vetenskaplig term som används för det välkända fenomenet triboelektrifiering och definierar laddningarna som produceras av fysisk kontakt. Konceptet är universellt i både det dagliga livet och i naturen, det uppstår mellan skor och mark, när moln rör sig i luften och när jorden skakar. Medan processen först registrerades för mer än 2600 år sedan, diskuterar forskare fortfarande mekanismen bakom processen. Forskning inom området har utvecklats med modern teknik för att beskriva fenomenets sanna komplexitet, även om vissa observationer är oförklarliga eller motsägelsefulla. I detta arbete observerade Li et al atomärt presenterade fotonemissionsspektra under kontaktelektrifiering vid ett fast-fast gränssnitt genom att kontakta fluorerad etenpropen (FEP) med akryl eller FEP med kvarts. Jämfört med triboluminescens kan den karakteristiska fotonemissionen som induceras av kontaktelektrifiering ge riklig information om energistrukturen vid gränssnitt. Li et al föreslog tre möjliga fysikaliska processer för att förstå fotonemission som härrör från elektronladdning som överförs under laddningselektrifiering. Processen är känd som kontaktelektrifieringsinducerad gränssnittsfotonspektroskopi (CEIIPES) och kan tillåta forskare att studera elektroniska övergångar vid solid-solid-gränssnitt.
Gränssnittelektronövergång inducerade fotoemissionsspektra och relaterade energinivåer i CE vid lågt tryck för FEP-akrylgruppen. (A) Spektrana registrerade vid 24 Pa med identifierade väte- och syreatomspektra. a.u., godtyckliga enheter. (B och C) För vätespektra användes högupplöst gitter för ytterligare bekräftelse. (D) Elektronenergiradie på Bohr-modell av väteatom. (E och F) Energinivåer för identifierade atomlinjer i (A). Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abj0349
Li et al bildade kärndelarna i en ihålig cylinder inklämd mellan ett metallhölje och en metallbas, inom vilken de drev fyra metallfläktar med hjälp av en motor. Teamet fäste materialen för kontaktelektrifiering (CE) till metallfläktarna eller till cylindern och inducerade CE vid gränssnittet under fläktrotation. De mätte trycket med hjälp av en tryckmotor och styrde differentialflödet av vakuumkammarens inlopp och utlopp genom flödesmätare. Om en fotonsignal härrörde från kärnan kunde de registrera den med en spektrometer med en känslig laddningskopplad enhetsdetektor. Li et al noterade fotonemission associerad med de fysiska processerna av CE. Till exempel associerades fotonemissioner med atomspektraegenskaper med elektronövergångar under kontaktelektrifiering och forskarna definierade detta fenomen som kontaktelektrifiering inducerar gränssnittsfotonemissionsspektroskopi (CEIIPES).
Fysiska processer för elektronöverföring
Gränssnittelektronövergång inducerade fotoemissionsspektra och relaterad energinivå i CE vid olika tryck för olika kontaktmaterialgrupper. (A och D) CEIIPES av FEP-akrylgruppen vid olika atmosfärstryck. (B) Förstoring och identifiering av atomlinjer i CEIIPES av FEP-akrylgruppen vid 200 Pa. (C och F) CEIIPES av olika grupper vid olika atmosfärstryck med identifiering av atomlinjer. (E) Toppintensiteten för utvalda atomlinjer ändras med atmosfärstrycket. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abj0349
Gränssnittselektronövergångsinducerad fotoemissionsintensitet är jämförbar med H-atomerna vid gränssnitten för FEP-akrylgrupp och FEP-kvartsgrupp. (A) Ta till exempel H 656,2-nm-linjen och motsvarande illustrationer i (B) och (D). (C) Färgspektra för elementen H och O i intervallet 400 till 700 nm, som visar olika funktioner hos dem för elektronöverföring vid CE. Intensitetsförhållandet är jämförbart med förhållandet mellan H-atomer vid gränsytorna. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abj0349
Energidiagram för gränssnittselektronövergångsinducerad fotoemission. (A) Det schematiska diagrammet över FEP och kvartsgränssnitt på atomnivå. (B) Energidiagram över elektronövergång mellan väte och fluor. (C) Energidiagram över elektronövergång mellan syre och fluor. (D) Energidiagram över elektronövergång mellan väte och syre. Dessutom det schematiska diagrammet över möjliga fysikaliska processer för elektronövergångar och den tillhörande fotonemissionen, även känd som Wang-övergång, när två atomer är nära varandra (E till H). Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abj0349
Teamet illustrerade sedan de fysiska processerna som ligger bakom fotonemissionslinjer i förhållande till energinivåerna och elektronövergångarna i installationen. Till exempel, när FEP-materialet kom i kontakt med kvarts, inträffade elektronövergångar för dessa material inklusive övergångar mellan atomer såsom väte och syre vid ytan av kvarts. Teamet sammanfattade de möjliga fysiska vägarna för elektronövergångar mellan olika atomer under kontaktelektrifiering och noterade två möjliga metoder för elektronövergång till exciterade tillstånd, inklusive (1) elektronövergång från molekylär omloppsbana till en atoms exciterade tillstånd, eller (2) excitation av en atom från en lägre energinivå till högre energinivå inuti en atom. Dessutom kan en elektron i exciterad tillstånd passera till en lägre energinivå genom att sända ut en foton. Kontaktelektrifieringsinducerad gränssnittsfotonemissionsspektroskopi (CEIIPES) skiljer sig från fluorescerande spektra för molekyler, där CEIIPES är associerat med fotonemission i förhållande till elektronöverföring mellan två atomer. Jämförelsevis är fluorescensspektra associerade med elektronövergång mellan molekylära nivåer med många vibrationsnivåer. Teamet lyfte sedan fram väteatomens roll under kontaktelektrifiering, där H-atomer hade unika roller under experimenten. De nuvarande studierna visade endast fotonemission i förhållande till CEIIPES vid fast-fasta gränssnitt, teamet avser att använda metoden och avslöja mer intressanta fenomen vid fast-vätska, fast-gas, gas-gas och gas-vätska, såväl som flytande- vätskegränssnitt.
Outlook
På detta sätt observerade Ding Li och kollegor atomärt presenterade fotonemissionsspektra under kontaktelektrifiering mellan två fasta ämnen. Under arbetet överfördes elektroner från en atom av ett specifikt material till en annan atom i ett annat material vid gränssnittet under kontaktelektrifiering i en process som kallas kontaktelektrifieringsinducerad gränssnittsfotonemissionsspektroskopi (CEIIPES). Processen skedde genom energiresonansöverföring när atomer från olika material fördes nära varandra. Teamet analyserade processerna bakom kontaktelektrifiering för att bättre förstå hur två material laddades efter kontaktelektrifiering för att bedöma interaktioner mellan vätskor, fasta ämnen och gaser. Arbetet är specifikt för solid-solid-gränssnitt och är tillämpligt för mer allmänna fall som röntgenstrålning och Auger-elektronexcitation. + Utforska vidare
© 2021 Science X Network
