Il diagramma schematico degli esperimenti. (A) Parti CE in camera a vuoto e spettrometro. (B) Modalità di misura A:FEP su ventilatori e contatto diretto con quarzo o acrilico. (C) Fotografia ottica delle parti CE. (D) Il principio di funzionamento della modalità di misurazione B. (E) Modalità di misurazione B:FEP attaccato al quarzo o acrilico con nylon, ecc. su ventole. Credito fotografico:Ding Li, Istituto di nanoenergia e nanosistemi di Pechino, Accademia cinese delle scienze. Credito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abj0349
L'elettrificazione da contatto può verificarsi quando si verifica un contatto fisico tra due materiali. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Science Advances , Ding Li e un team di scienziati in nanoscienza, nanoenergia e scienza dei materiali in Cina e negli Stati Uniti, hanno dettagliato gli spettri di emissione di fotoni con caratteristiche atomiche tra due materiali solidi. Il trasferimento di elettroni può avvenire all'interfaccia da un atomo in un materiale a un altro atomo in un altro materiale, insieme all'emissione di fotoni, durante l'elettrificazione a contatto.
Questo processo può aiutare la spettroscopia di emissione di fotoni dell'interfaccia indotta dall'elettrificazione a contatto (CEIIPES) per rilevare la spettroscopia corrispondente all'elettrificazione a contatto su un'interfaccia e influire sulla consapevolezza delle interazioni tra solidi, liquidi e gas. La fisica di questa ricerca può essere ampliata all'emissione di raggi X, all'eccitazione di elettroni Auger e all'emissione di elettroni durante l'elettrificazione a contatto, che resta da esplorare. Il lavoro porta a un campo generale noto come spettroscopia di interfaccia indotta da elettrificazione a contatto (CEIIS).
Triboelettrificazione
L'elettrificazione a contatto è un termine scientifico utilizzato per il noto fenomeno della triboelettrificazione e definisce le cariche prodotte dal contatto fisico. Il concetto è universale sia nella vita quotidiana che in natura, si manifesta tra le scarpe e il suolo, quando le nuvole si muovono nell'aria e quando la Terra trema. Sebbene il processo sia stato registrato per la prima volta più di 2600 anni fa, gli scienziati discutono ancora del meccanismo alla base del processo. La ricerca sul campo si è evoluta con le moderne tecnologie per descrivere la vera complessità del fenomeno, sebbene alcune osservazioni siano inspiegabili o contraddittorie. In questo lavoro, Li et al hanno osservato gli spettri di emissione di fotoni in evidenza atomica durante l'elettrificazione a contatto su un'interfaccia solido-solido mettendo in contatto l'etilene propilene fluorurato (FEP) con acrilico o FEP con quarzo. Rispetto alla triboluminescenza, la caratteristica emissione di fotoni indotta dall'elettrificazione a contatto può trasportare abbondanti informazioni sulla struttura energetica alle interfacce. Li et al hanno suggerito tre possibili processi fisici per comprendere l'emissione di fotoni derivante dalla carica di elettroni trasferita durante l'elettrificazione della carica. Il processo è noto come spettroscopia di fotoni di interfaccia indotta da elettrificazione di contatto (CEIIPES) e può consentire ai ricercatori di studiare le transizioni elettroniche alle interfacce solido-solido.
Spettri di emissione di foto indotti da transizione elettronica di interfaccia e relativi livelli di energia in CE a bassa pressione per il gruppo FEP-acrilico. (A) Gli spettri registrati a 24 Pa con spettri atomici di idrogeno e ossigeno identificati. a.u., unità arbitrarie. (B e C) Per gli spettri di idrogeno, è stato utilizzato un reticolo a risoluzione più elevata per un'ulteriore conferma. (D) Raggio di energia elettronica sul modello di Bohr dell'atomo di idrogeno. (E e F) Livelli energetici per linee atomiche identificate in (A). Credito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abj0349
Li et al. formavano le parti centrali di un cilindro cavo racchiuso tra una copertura metallica e una base metallica, all'interno della quale azionavano quattro ventole metalliche utilizzando un motore. Il team ha attaccato i materiali per l'elettrificazione a contatto (CE) alle ventole metalliche o al cilindro e ha indotto CE all'interfaccia durante la rotazione della ventola. Hanno misurato la pressione utilizzando un motore a pressione e hanno controllato il flusso differenziale dell'ingresso e dell'uscita della camera a vuoto attraverso flussimetri. Se un segnale fotonico provenisse dal nucleo, potrebbero registrarlo utilizzando uno spettrometro con un rilevatore di dispositivi ad accoppiamento di carica sensibile. Li et al hanno notato l'emissione di fotoni associata ai processi fisici di CE. Ad esempio, le emissioni di fotoni con caratteristiche di spettri atomici erano associate alle transizioni di elettroni durante l'elettrificazione a contatto e gli scienziati hanno definito questo fenomeno come spettroscopia di emissione di fotoni dell'interfaccia indotta dall'elettrificazione di contatto (CEIIPES).
Processi fisici di trasferimento di elettroni
Spettri di emissione di foto indotti dalla transizione elettronica dell'interfaccia e relativo livello di energia in CE a pressioni diverse per diversi gruppi di materiali di contatto. (A e D) CEIIPES del gruppo FEP-acrilico a diverse pressioni atmosferiche. (B) Ingrandimento e identificazioni di linee atomiche in CEIIPES del gruppo FEP-acrilico a 200 Pa. (C e F) CEIIPES di diversi gruppi a diverse pressioni atmosferiche con identificazioni di linee atomiche. (E) L'intensità di picco delle linee atomiche selezionate cambia con la pressione atmosferica. Credito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abj0349
L'intensità dell'emissione di foto indotta dalla transizione elettronica dell'interfaccia è paragonabile agli atomi di H alle interfacce per il gruppo FEP-acrilico e il gruppo FEP-quarzo. (A) Prendi ad esempio la linea H 656,2-nm e le illustrazioni corrispondenti in (B) e (D). (C) Spettri di colore degli elementi H e O nell'intervallo da 400 a 700 nm, che ne mostrano diverse funzioni per il trasferimento di elettroni a CE. Il rapporto di intensità è paragonabile al rapporto di atomi di H alle interfacce. Credito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abj0349
Diagramma energetico per l'emissione di foto indotta da transizione elettronica dell'interfaccia. (A) Il diagramma schematico dell'interfaccia FEP e quarzo a livello atomico. (B) Diagramma energetico della transizione elettronica tra idrogeno e fluoro. (C) Diagramma energetico della transizione elettronica tra ossigeno e fluoro. (D) Diagramma energetico della transizione elettronica tra idrogeno e ossigeno. Inoltre, il diagramma schematico dei possibili processi fisici delle transizioni degli elettroni e dell'emissione di fotoni associata, nota anche come transizione di Wang, quando due atomi sono vicini l'uno all'altro (da E a H). Credito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abj0349
Il team ha quindi illustrato i processi fisici alla base delle linee di emissione dei fotoni rispetto ai livelli di energia e alle transizioni di elettroni nella configurazione. Ad esempio, quando il materiale FEP è entrato in contatto con il quarzo, si sono verificate transizioni di elettroni per questi materiali, comprese le transizioni tra atomi come idrogeno e ossigeno sulla superficie del quarzo. Il team ha riassunto i possibili percorsi fisici per le transizioni di elettroni tra diversi atomi durante l'elettrificazione a contatto e ha notato due possibili metodi per la transizione di elettroni a stati eccitati, tra cui (1) la transizione di elettroni dall'orbita molecolare allo stato eccitato di un atomo, o (2) il eccitazione di un atomo da un livello di energia inferiore a un livello di energia superiore all'interno di un atomo. Inoltre, un elettrone di stato eccitato può transitare a un livello di energia inferiore emettendo un fotone. La spettroscopia di emissione di fotoni dell'interfaccia indotta dall'elettrificazione a contatto (CEIIPES) è diversa dagli spettri fluorescenti per le molecole, dove CEIIPES è associato all'emissione di fotoni rispetto al trasferimento di elettroni tra due atomi. In confronto, gli spettri di fluorescenza sono associati alla transizione elettronica tra livelli molecolari con molti livelli vibrazionali. Il team ha quindi evidenziato il ruolo dell'atomo di idrogeno durante l'elettrificazione a contatto, dove gli atomi di H hanno svolto ruoli unici durante gli esperimenti. I presenti studi hanno dimostrato solo l'emissione di fotoni rispetto a CEIIPES alle interfacce solido-solido, il team intende utilizzare il metodo e rivelare fenomeni più interessanti a solido-liquido, gas solido, gas-gas e gas-liquido, nonché liquido- interfacce liquide.
Prospettiva
In questo modo, Ding Li e colleghi hanno osservato gli spettri atomici di emissione di fotoni durante l'elettrificazione a contatto tra due solidi. Durante il lavoro, gli elettroni sono stati trasferiti da un atomo di un materiale specifico a un altro atomo in un altro materiale all'interfaccia durante l'elettrificazione di contatto in un processo noto come spettroscopia di emissione di fotoni di interfaccia indotta da elettrificazione di contatto (CEIIPES). Il processo è avvenuto attraverso il trasferimento di risonanza di energia quando atomi di materiali diversi sono stati avvicinati l'uno all'altro. Il team ha analizzato i processi alla base dell'elettrificazione a contatto per comprendere meglio come sono stati caricati due materiali dopo l'elettrificazione a contatto per valutare le interazioni tra liquidi, solidi e gas. Il lavoro è specifico per le interfacce solido-solido ed è applicabile a casi più generali come l'emissione di raggi X e l'eccitazione di elettroni Auger. + Esplora ulteriormente
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