我一直希望能够出版一部关于物质接触起电的书，使它可以帮助广大读者全面了解接触起电。接触起电是最为人知、随处可见的现象，它在自然界中无时无刻不在发生，但人们却缺乏对其深入的科学认识。我认为，在过去的几个世纪中，接触起电的研究一直是被科学界忽视的领域，这可能是因为接触起电在许多情况下会产生负面影响，如引发火灾和放电。然而，随着摩擦纳米发电机的出现，接触起电可能会成为第五大应用。因此，系统地了解接触起电变得尤为重要。《物质的接触起电》系统地总结了该领域的重大进展，介绍液态、固态和/或气态系统中的接触起电，对接触起电效应及其各种应用进行最新的综述。
——王中林
接触起电（contact-electrification，CE）是指两种不同物质在直接接触并分离时产生电荷转移的过程。这种现象在日常生活中通常被称为摩擦起电（triboelectrification，TE），是产生静电的一个基本过程。摩擦起电的主要特征是两个物体接触时发生电荷转移，导致一个物体带正电，另一个物体带负电。实际上，CE 是液体、固体和气体之间任何两种物质表面之间普遍存在的现象。
摩擦起电的发展历史
尽管自古希腊以来记录和研究摩擦起电已有2600多年的历史，但人类对其机理的研究一直进展缓慢且对其的研究十分复杂，这可能是因为不同的科学家群体从不同角度看待这一现象，同时缺乏合适的技术手段也限制了相关研究的开展。由于摩擦起电常被视为一种负面效应，因此对其研究的动力也相对不足。然而，近年来摩擦纳米发电机（TENG）的发明从根本上改变了这一局面，它将接触起电从一种“负面效应”转化为一种可利用的高效能源技术。《物质的接触起电》系统地总结了该领域的重大进展，介绍液态、固态和/或气态系统中的接触起电，对接触起电效应及其各种应用进行最新的综述。
物质的接触起电
王中林等著
北京 : 科学出版社, 2026. 3.
ISBN 978-7-03-084798-0
本书的前半部分（第1 章∼ 第8 章）主要涉及与接触起电相关的基础科学，具体内容概述如下。
第1章
接触起电（摩擦起电）简介
王中林，王琦
旨在简要介绍摩擦起电效应研究的简史。本章还总结了摩擦起电效应对人类文明的重大贡献。通过介绍摩擦起电效应及相关应用的新进展，以加快与摩擦起电效应相关的科学和技术的发展。本章为后续各章的内容奠定了基础。
第2章
接触起电量化表征方法
邹海洋，林世权，丁相天，王中林
介绍了接触起电量化表征方法。描述了从纳米尺度到宏观尺度量化表面电荷密度的基本技术，并介绍了为量化接触起电而制定的标准。这些技术的建立对于研究各种界面的电荷转移过程至关重要。
第3章
摩擦起电及相关现象的量子理论
Lok C. Lew Yan Voon，Morten Willatzen
探讨了对接触起电的理论理解，还介绍了半经典量子理论和第一性原理量子理论。与实验进展相比，接触起电的理论研究仍处于初步阶段，未来仍需开展更多的工作。
第4章
金属和绝缘体界面的接触起电
陈翔宇，王中林
主要介绍与肖特基势垒相关的电荷转移过程，并研究绝缘体-金属界面的电子转移。该研究通过原子力显微镜相关的探针技术进行。通过改变样品温度或施加偏置电压，实验结果表明，主要的电荷是电子。
第5章
绝缘体-绝缘体界面的接触起电
许程，王中林
主要讨论了绝缘体与绝缘体之间的接触起电。首先介绍了能带模型，该模型有助于理解材料间的电子转移，主要通过能带图并引入表面态来进行相关描述。然后详述了2018 年王中林首次提出的电子云模型，该模型为理解物质中的接触电荷提供了更普遍的视角。假设电子转移是接触起电的主导过程，电荷转移仅可能发生在原子间密切接触且电子波函数强重叠的区域。此外，还介绍了多种电荷释放机制。
第6章
半导体界面的接触起电——摩擦伏特效应
林世权，丁相天，王中林
介绍了半导体界面接触起电的基本原理，重点讨论了王中林于2019 年首次提出的摩擦伏特效应这一新发现。以n 型半导体在p 型半导体表面滑动为例，界面上两个原子之间的结合会释放出一种结合能，称为键合子，这种能量可能以内部光子的形式存在，能够激发局部的电子-空穴对。在pn 结的内建电场作用下，这些电子-空穴对被分离，从而产生直流电输出。目前，这一效应已成为研究动态半导体界面传输和能量收集的新兴领域。
第7章
液-固界面接触起电
魏迪
系统地描述了液-固界面上的电荷转移，重点讨论了导体、电介质和半导体界面上的电荷转移过程。本章特别强调了双电层（electrical double layer，EDL）的形成和动力学，EDL 是调节液-固界面电荷行为的基本结构。研究中介绍了王氏“两步法”模型，阐明了接触起电在电介质表面形成EDL 中的作用。该模型描述了界面上电子转移的关键因素及其对EDL 形成的初始贡献。
第8章
接触电致催化
王子铭，何沐林，杨雪燕，王中林
介绍了接触电致催化（CEC）。该现象是由王中林研究组于2022 年首次提出的，指的是在液-固界面上通过接触起电驱动电子转移，从而促进局部的氧化还原反应。本章全面概述了CEC 的基础理论、改进CEC 的策略及其独特优势。此外，还提出了未来研究和开发CEC 的路线图。
本书的后半部分（第9 章∼ 第12 章）讲述了接触起电的各种应用，具体内容概述如下。
第9章
基于固-固接触起电的摩擦纳米发电机
赖盈至，王杰
系统介绍了TENG 的基本理论和技术应用。本章首先介绍了交流（AC）型和直流（DC）型两种主要类型的TENG，并详细阐述了交流型TENG的五种工作模式及直流型TENG 使用的两种类型。本章还讨论了固-固TENG 的性能优化，包括材料选择、环境控制和电荷激励等方面。此外，还综述了TENG 在作为微/纳米电源（如收集人体运动能量、体内机械能、振动能和风能）、作为自供电传感器（包括触觉、生物力学、声学、人体生理和化学传感）、蓝色能源和高压电源等领域的应用。
第10章
基于液-固接触起电的摩擦纳米发电机
程纲，张金洋，秦怀方
介绍了基于液-固接触起电的TENG 应用，包括水能收集和传感系统。TENG 已被证明是测量电荷转移和液-固界面的有效探针，这对基础化学研究具有重要意义。本章详细介绍了利用液-固接触起电的TENG 应用的最新进展，主要包括能量收集、传感和TENG 探针等方面。这些应用能够实现液体动能转化为电能、自供电的微流控或化学传感，以及液-固界面的相关研究。
第11章
摩擦伏特纳米发电机
张弛，张之
介绍了利用摩擦伏特效应的创新能源转换装置——摩擦伏特纳米发电机（TVNG）。该装置在机械零部件、多源能量俘获、智能柔性器件和自供电传感等领域具有巨大的应用潜力。本章还展示了摩擦伏特效应在不同场景下的广泛适应性和高效性，同时为未来智能系统和新能源技术的发展提供了宝贵的指导。
第12章
接触电致催化的应用
唐伟，姜鹏
介绍了CEC 的应用，包括污染物降解、二氧化碳捕获、重要化学品的合成（如过氧化氢合成和氨合成）、资源回收（如锂离子和贵金属）、癌症治疗方面。CEC 在温和的条件下具有很高的反应效率，这使其区别于需要更高条件的其他催化过程。CEC 的一个显著优势是其催化剂的广泛选择范围，包括许多传统的有机和无机材料。此外，CEC 的应用范围已经从固-液界面扩展到液-液界面，如油-水界面，在这些界面上，液-液接触电致催化可诱导电子转移，推动氧化还原反应，类似于固-液系统，这为液体界面的催化过程开辟了新的可能性，而传统催化方法在这些界面可能不太有效。
本书能为物理学、化学、材料科学及电气工程等领域的研究生和科研人员提供重要的教学与研究参考，希望大家共同推动这个古老而崭新的领域迈向未来。
本文摘编自《物质的接触起电》（王中林等著. 北京 : 科学出版社, 2026. 3）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-084798-0
责任编辑: 李明楠 李丽娇
接触起电在日常生活中常被称为摩擦起电，是自然界中普遍存在的基本物理现象之一。尽管其历史可追溯超过2600年，但其微观机理的科学研究长期进展缓慢且复杂。近年来，摩擦纳米发电机（TENG）的发明从根本上改变了这一局面，它将接触起电从一种“负面效应”转化为一种可利用的高效能源技术。本书系统地总结了该领域的重大进展。
其中第一部分深入阐述接触起电的基础科学，包括其研究历史与贡献、表面电荷的量化方法与标准、半经典与第一性原理量子理论探索，并分别详述了金属-绝缘体、绝缘体-绝缘体、半导体-半导体界面的电子转移机理与模型（如电子云模型、摩擦伏特效应），以及液-固界面电荷转移与双电层形成的王氏“两步法”模型，最后介绍了新发现的、能驱动氧化还原反应的接触电致催化（CEC）。第二部分则全面展示了基于这些基础原理的颠覆性应用，涵盖了摩擦纳米发电技术、基于摩擦伏特效应的新型直流纳米发电机TVNG，以及利用CEC 进行污染物降解、重要化学品合成、资源回收乃至癌症治疗等广阔前景。
点击了解更多
摩擦纳米发电机
（本文编辑：刘四旦）
专业品质 学术价值
原创好读 科学品位
一起阅读科学
热门跟贴