在传统物理学中，水一直被当作理想导体。而事实上，基于水溶液电学效应的设计，如水系电池和水系超级电容器等已经被证明能够在能源及可穿戴设备等领域产生重要影响。近期，我院王晓雄教授等人发现，基于两水溶液相分离原理的ATPS系统在接触分离时能够产生可观的电荷转移，且该效应可以被设计成液-液纳米发电机。相关新近工作发表于国际顶级期刊Nature Communications | (2022) 13:5316，题为Liquid-liquid triboelectric nanogenerator based on the immiscible interface of an aqueous two-phase system。

  团队近年来还建立了柔性功能陶瓷纤维特色研究方向，基于功能氧化物陶瓷的维度降低实现了铁电及发光陶瓷材料的柔性化设计，改变了这些陶瓷在传统意义上的脆性特质，目前正着力攻克纤维基材料复杂力学性能的分析及可靠描述构建。基于这些柔性陶瓷材料，确定了柔性钛酸钡具有良好的压电催化效果[J. Mater. Chem. A, 2020, 8,22745]，而柔性锆钛酸铅具有良好的超声吸附效果[J. Euro. Ceram. Soc., 2021, 41, 7630-7638]，此外还发现了烧结温度变化对于发光和柔性优化的矛盾[Ceram. Int., 2021, 47, 31329-31336]，并使用铝基氧化物基质对这一矛盾进行了初步解决[J. Mater. Chem. C, 2022,10, 7594-7603]。

图1. （a）ATPS 液-液纳米发电机（L-L TENG）的接触分离模式工作原理及其（b）光学照片。

        这一接触起电体系依靠聚乙二醇（PEG）-葡聚糖（DEX）两相溶液的接触分离完成，其中DEX悬挂于针头（顶电极），而PEG置于铝箔纸上（底电极），通过液滴接触起电，在液滴相对位置发生变化时，诱导背电极产生相应的电荷量变化，从而在外电路产生对应的电流，实现能量输出。

图2. 对应水溶液体系的选择，（a）图中横坐标为一组材料选择，柱状图颜色代表另一种材料，柱高低代表了单液滴起电量的大小。

（b）图展示出PEG-DEX体系的巨大输出优势。（c）图为PEG-DEX浓度对于最终输出结果的影响。

       在本工作中，首先测试了多种不同组分的相容性及电学信号。在这一问题中，有两个核心要素需要考虑，第一要素是两个水溶液液滴是否能够实现有效的接触分离，在研究过程中部分材料对出现了明显的接触相融或者沉淀等现象，这就阻碍了对应纳米发电机的设计；而第二个要素就是接触起电量大小，在这一效果评估上，PEG-DEX溶液对表现出了巨大的优势。具体材料性能参见文章补充材料。

图3. 有效接触面积改变对于动电容影响示意图。

       在实际测试过程中，我们发现体系电荷转移量较大，较大的电荷转移量我们认为主要由于有效接触面积优势，这一定程度上也能够帮助分析液-固接触时的一些异常。此外，体系双电层对于最终电压影响也是不可忽略的因素。未来可以基于这两个因素展开进一步的研究工作。

图4. ATPS L-L TENG在（a）电容充电方面表现出了很大的优势，这一TENG甚至可以用于给（b）超级电容器充电。

在研究过程中，该纳米发电机被发现有两大优势。首先其转移电荷密度大，这意味着它能够对电容进行更快速的充电，这一点也被实验所证实。值得一提的是，由于ATPS L-L TENG的输出电压较低，因此在高电压充电阶段依然会表现出劣势；另外这一发电机的设计基于PEG-DEX-水，这一体系具有良好的生物相容性，并且能够有效负载药物，因此在未来可穿戴器件及可植入器件方面有着巨大的潜力。