Le schéma des expériences. (A) Pièces CE dans la chambre à vide et le spectromètre. (B) Mode de mesure A :FEP sur ventilateurs et contact direct avec du quartz ou de l'acrylique. (C) Photographie optique des pièces CE. (D) Le principe de fonctionnement du mode de mesure B. (E) Mode de mesure B :FEP fixé au quartz ou à l'acrylique avec du nylon, etc. sur les ventilateurs. Crédit photo :Ding Li, Institut des nanoénergies et des nanosystèmes de Pékin, Académie chinoise des sciences. Crédit :Science Advances, doi :10.1126/sciadv.abj0349
L'électrification de contact peut survenir lorsqu'un contact physique se produit entre deux matériaux. Dans un nouveau rapport maintenant publié sur Science Advances , Ding Li, et une équipe de scientifiques en nanoscience, nanoénergie et science des matériaux en Chine et aux États-Unis, ont détaillé les spectres d'émission de photons atomiques entre deux matériaux solides. Le transfert d'électrons peut avoir lieu à l'interface d'un atome d'un matériau à un autre atome d'un autre matériau, parallèlement à l'émission de photons, lors de l'électrification par contact.
Ce processus peut aider la spectroscopie d'émission de photons d'interface induite par électrification de contact (CEIIPES) pour détecter la spectroscopie correspondant à l'électrification de contact à une interface et avoir un impact sur la prise de conscience des interactions entre solides, liquides et gaz. La physique de cette recherche peut être étendue à l'émission de rayons X, à l'excitation d'électrons Auger et à l'émission d'électrons lors de l'électrification par contact, qui reste à explorer. Les travaux mènent à un domaine général connu sous le nom de spectroscopie d'interface induite par électrification de contact (CEIIS).
Triboélectrification
L'électrification de contact est un terme scientifique utilisé pour le phénomène bien connu de triboélectrification et définit les charges produites par contact physique. Le concept est universel à la fois dans la vie quotidienne et dans la nature, se produisant entre les chaussures et le sol, lorsque les nuages bougent dans l'air et lorsque la Terre tremble. Alors que le processus a été enregistré pour la première fois il y a plus de 2600 ans, les scientifiques débattent encore du mécanisme derrière le processus. La recherche dans le domaine a évolué avec les technologies modernes pour décrire la véritable complexité du phénomène, bien que certaines observations soient inexplicables ou contradictoires. Dans ce travail, Li et al ont observé des spectres d'émission de photons atomiques lors de l'électrification par contact à une interface solide-solide en mettant en contact de l'éthylène propylène fluoré (FEP) avec de l'acrylique ou du FEP avec du quartz. Par rapport à la triboluminescence, l'émission de photons caractéristique induite par l'électrification par contact peut transporter de nombreuses informations sur la structure énergétique aux interfaces. Li et al ont suggéré trois processus physiques possibles pour comprendre l'émission de photons résultant de la charge électronique transférée lors de l'électrification de la charge. Le processus est connu sous le nom de spectroscopie de photons d'interface induite par électrification de contact (CEIIPES) et peut permettre aux chercheurs d'étudier les transitions électroniques aux interfaces solide-solide.
Spectres de photoémission induits par transition électronique d'interface et niveaux d'énergie associés dans CE à basse pression pour le groupe FEP-acrylique. (A) Les spectres enregistrés à 24 Pa avec des spectres atomiques d'hydrogène et d'oxygène identifiés. a.u., unités arbitraires. (B et C) Pour les spectres d'hydrogène, un réseau à plus haute résolution a été utilisé pour une confirmation supplémentaire. (D) Rayon d'énergie électronique sur le modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène. (E et F) Niveaux d'énergie pour les lignes atomiques identifiées en (A). Crédit :Science Advances, doi :10.1126/sciadv.abj0349
Li et al ont formé les parties centrales d'un cylindre creux pris en sandwich entre un couvercle métallique et une base métallique, à l'intérieur duquel ils ont entraîné quatre ventilateurs métalliques à l'aide d'un moteur. L'équipe a attaché les matériaux pour l'électrification par contact (EC) aux ventilateurs métalliques ou au cylindre, et a induit l'EC à l'interface pendant la rotation du ventilateur. Ils ont mesuré la pression à l'aide d'un moteur à pression et contrôlé le débit différentiel de l'entrée et de la sortie de la chambre à vide à l'aide de débitmètres. Si un signal de photon provenait du noyau, ils pourraient l'enregistrer à l'aide d'un spectromètre avec un détecteur de dispositif à couplage de charge sensible. Li et al ont noté l'émission de photons associée aux processus physiques de la CE. Par exemple, les émissions de photons avec des caractéristiques de spectres atomiques ont été associées à des transitions d'électrons lors de l'électrification par contact et les scientifiques ont défini ce phénomène comme une spectroscopie d'émission de photons d'interface induite par l'électrification par contact (CEIIPES).
Processus physiques de transfert d'électrons
Spectres de photoémission induits par la transition électronique d'interface et niveau d'énergie associé dans CE à différentes pressions pour différents groupes de matériaux de contact. (A et D) CEIIPES du groupe FEP-acrylique à différentes pressions atmosphériques. (B) Agrandissement et identifications des raies atomiques dans les CEIIPES du groupe FEP-acrylique à 200 Pa. (C et F) CEIIPES de différents groupes à différentes pressions atmosphériques avec identifications des raies atomiques. (E) L'intensité maximale des lignes atomiques sélectionnées change avec la pression atmosphérique. Crédit :Science Advances, doi :10.1126/sciadv.abj0349
L'intensité de la photoémission induite par la transition électronique d'interface est comparable aux atomes H aux interfaces pour le groupe FEP-acrylique et le groupe FEP-quartz. (A) Prenez la ligne H 656,2 nm par exemple et les illustrations correspondantes en (B) et (D). (C) Spectres de couleur des éléments H et O dans la gamme de 400 à 700 nm, montrant différentes fonctions d'entre eux pour le transfert d'électrons à CE. Le rapport d'intensité est comparable au rapport des atomes d'hydrogène aux interfaces. Crédit :Science Advances, doi :10.1126/sciadv.abj0349
Diagramme d'énergie pour la photoémission induite par la transition électronique d'interface. (A) Le diagramme schématique de l'interface FEP et quartz au niveau atomique. (B) Diagramme énergétique de la transition électronique entre l'hydrogène et le fluor. (C) Diagramme énergétique de la transition électronique entre l'oxygène et le fluor. (D) Diagramme énergétique de la transition électronique entre l'hydrogène et l'oxygène. En outre, le diagramme schématique des processus physiques possibles des transitions d'électrons et de l'émission de photons associée, également appelée transition de Wang, lorsque deux atomes sont proches l'un de l'autre (E à H). Crédit :Science Advances, doi :10.1126/sciadv.abj0349
L'équipe a ensuite illustré les processus physiques sous-jacents aux raies d'émission de photons par rapport aux niveaux d'énergie et aux transitions d'électrons dans la configuration. Par exemple, lorsque le matériau FEP est entré en contact avec du quartz, des transitions électroniques se sont produites pour ces matériaux, y compris des transitions entre des atomes tels que l'hydrogène et l'oxygène à la surface du quartz. L'équipe a résumé les voies physiques possibles pour les transitions d'électrons entre différents atomes lors de l'électrification par contact et a noté deux méthodes possibles pour la transition d'électrons vers des états excités, notamment (1) la transition d'électrons de l'orbite moléculaire à l'état excité d'un atome, ou (2) la excitation d'un atome d'un niveau d'énergie inférieur à un niveau d'énergie supérieur à l'intérieur d'un atome. De plus, un électron à l'état excité peut transiter vers un niveau d'énergie inférieur en émettant un photon. La spectroscopie d'émission de photons d'interface induite par électrification de contact (CEIIPES) est différente des spectres fluorescents pour les molécules, où CEIIPES est associé à l'émission de photons par rapport au transfert d'électrons entre deux atomes. Comparativement, les spectres de fluorescence sont associés à la transition électronique entre les niveaux moléculaires avec de nombreux niveaux vibrationnels. L'équipe a ensuite mis en évidence le rôle de l'atome d'hydrogène lors de l'électrification par contact, où les atomes H possédaient des rôles uniques au cours des expériences. Les études actuelles n'ont démontré que l'émission de photons par rapport au CEIIPES aux interfaces solide-solide, l'équipe a l'intention d'utiliser la méthode et de révéler des phénomènes plus intéressants aux niveaux solide-liquide, solide-gaz, gaz-gaz et gaz-liquide, ainsi que liquide- interfaces liquides.
Perspectives
De cette manière, Ding Li et ses collègues ont observé des spectres d'émission de photons atomiques lors de l'électrification par contact entre deux solides. Au cours des travaux, des électrons ont été transférés d'un atome d'un matériau spécifique à un autre atome d'un autre matériau à l'interface lors de l'électrification par contact dans un processus connu sous le nom de spectroscopie d'émission de photons d'interface induite par électrification par contact (CEIIPES). Le processus s'est produit par transfert d'énergie par résonance lorsque des atomes de différents matériaux ont été rapprochés les uns des autres. L'équipe a analysé les processus sous-jacents à l'électrification par contact pour mieux comprendre comment deux matériaux étaient chargés après l'électrification par contact afin d'évaluer les interactions entre les liquides, les solides et les gaz. Le travail est spécifique aux interfaces solide-solide et s'applique à des cas plus généraux tels que l'émission de rayons X et l'excitation électronique Auger.
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