El diagrama esquemático de los experimentos. (A) Piezas CE en cámara de vacío y espectrómetro. (B) Modo de medida A:FEP en abanico y contacto directo con cuarzo o acrílico. (C) Fotografía óptica de las piezas CE. (D) El principio de funcionamiento del modo de medición B. (E) Modo de medición B:FEP adherido a cuarzo o acrílico con nailon, etc. en ventiladores. Crédito de la foto:Ding Li, Instituto de Nanoenergía y Nanosistemas de Beijing, Academia de Ciencias de China. Crédito:Avances científicos, doi:10.1126/sciadv.abj0349
La electrificación por contacto puede surgir cuando se produce un contacto físico entre dos materiales. En un nuevo informe publicado ahora sobre Science Advances , Ding Li, y un equipo de científicos en nanociencia, nanoenergía y ciencia de materiales en China y EE. UU., detallaron los espectros de emisión de fotones con características atómicas entre dos materiales sólidos. La transferencia de electrones puede tener lugar en la interfaz de un átomo en un material a otro átomo en otro material, junto con la emisión de fotones, durante la electrificación por contacto.
Este proceso puede ayudar a la espectroscopia de emisión de fotones de interfaz inducida por electrificación de contacto (CEIIPES) para detectar la espectroscopia correspondiente a la electrificación de contacto en una interfaz e impactar la conciencia de las interacciones entre sólidos, líquidos y gases. La física de esta investigación se puede ampliar a la emisión de rayos X, la excitación de electrones Auger y la emisión de electrones durante la electrificación por contacto, que queda por explorar. El trabajo conduce a un campo general conocido como espectroscopia de interfaz inducida por electrificación por contacto (CEIIS).
Triboelectrificación
La electrificación por contacto es un término científico utilizado para el conocido fenómeno de triboelectrificación y define las cargas producidas por contacto físico. El concepto es universal tanto en la vida cotidiana como en la naturaleza, ocurriendo entre los zapatos y el suelo, cuando las nubes se mueven en el aire y cuando la Tierra tiembla. Si bien el proceso se registró por primera vez hace más de 2600 años, los científicos aún debaten el mecanismo detrás del proceso. La investigación en el campo ha evolucionado con las tecnologías modernas para describir la verdadera complejidad del fenómeno, aunque algunas observaciones son inexplicables o contradictorias. En este trabajo, Li et al observaron espectros de emisión de fotones con características atómicas durante la electrificación por contacto en una interfaz sólido-sólido al poner en contacto propileno de etileno fluorado (FEP) con acrílico o FEP con cuarzo. En comparación con la triboluminiscencia, la emisión de fotones característica inducida por la electrificación por contacto puede transportar abundante información sobre la estructura energética en las interfaces. Li et al sugirieron tres posibles procesos físicos para comprender la emisión de fotones que surge de la carga de electrones transferida durante la electrificación de la carga. El proceso se conoce como espectroscopia de fotones de interfaz inducida por electrificación de contacto (CEIIPES) y puede permitir a los investigadores estudiar transiciones electrónicas en interfaces sólido-sólido.
Espectros de fotoemisión inducida por transición de electrones de interfaz y niveles de energía relacionados en CE a baja presión para el grupo FEP-acrílico. (A) Los espectros registrados a 24 Pa con espectros atómicos de hidrógeno y oxígeno identificados. a.u., unidades arbitrarias. (B y C) Para los espectros de hidrógeno, se utilizó una rejilla de mayor resolución para una mayor confirmación. (D) Radio de energía del electrón en el modelo de Bohr del átomo de hidrógeno. (E y F) Niveles de energía para líneas atómicas identificadas en (A). Crédito:Avances científicos, doi:10.1126/sciadv.abj0349
Li et al formaron las partes centrales de un cilindro hueco intercalado entre una cubierta de metal y una base de metal, dentro del cual impulsaron cuatro ventiladores de metal con un motor. El equipo adjuntó los materiales para la electrificación por contacto (CE) a los ventiladores metálicos o al cilindro e indujo CE en la interfaz durante la rotación del ventilador. Midieron la presión mediante un motor de presión y controlaron el caudal diferencial de entrada y salida de la cámara de vacío a través de caudalímetros. Si una señal de fotones se originara en el núcleo, podrían registrarla usando un espectrómetro con un detector sensible de dispositivo de carga acoplada. Li et al notaron la emisión de fotones asociada con los procesos físicos de CE. Por ejemplo, las emisiones de fotones con características de espectro atómico se asociaron con transiciones de electrones durante la electrificación por contacto y los científicos definieron este fenómeno como espectroscopia de emisión de fotones de interfaz inducida por electrificación por contacto (CEIIPES).
Procesos físicos de transferencia de electrones
Espectros de fotoemisión inducida por transición de electrones de interfaz y nivel de energía relacionado en CE a diferentes presiones para diferentes grupos de materiales de contacto. (A y D) CEIIPES del grupo FEP-acrílico a diferentes presiones atmosféricas. (B) Ampliación e identificación de líneas atómicas en CEIIPES del grupo FEP-acrílico a 200 Pa. (C y F) CEIIPES de diferentes grupos a diferentes presiones atmosféricas con identificación de líneas atómicas. (E) La intensidad máxima de las líneas atómicas seleccionadas cambia con la presión atmosférica. Crédito:Avances científicos, doi:10.1126/sciadv.abj0349
La intensidad de la fotoemisión inducida por la transición de electrones de la interfaz es comparable a los átomos de H en las interfaces para el grupo FEP-acrílico y el grupo FEP-cuarzo. (A) Tome la línea H 656.2-nm como ejemplo y las ilustraciones correspondientes en (B) y (D). (C) Espectros de color de los elementos H y O en el rango de 400 a 700 nm, que muestran diferentes funciones para la transferencia de electrones en CE. La relación de intensidad es comparable a la relación de átomos de H en las interfases. Crédito:Avances científicos, doi:10.1126/sciadv.abj0349
Diagrama de energía para fotoemisión inducida por transición de electrones de interfaz. (A) El diagrama esquemático de FEP y la interfaz de cuarzo a nivel atómico. (B) Diagrama de energía de la transición de electrones entre hidrógeno y flúor. (C) Diagrama de energía de la transición de electrones entre el oxígeno y el flúor. (D) Diagrama de energía de la transición de electrones entre hidrógeno y oxígeno. Además, el diagrama esquemático de los posibles procesos físicos de las transiciones de electrones y la emisión de fotones asociada, también conocida como transición de Wang, cuando dos átomos están cerca uno del otro (E a H). Crédito:Avances científicos, doi:10.1126/sciadv.abj0349
A continuación, el equipo ilustró los procesos físicos subyacentes a las líneas de emisión de fotones en relación con los niveles de energía y las transiciones de electrones en la configuración. Por ejemplo, cuando el material FEP entró en contacto con el cuarzo, se produjeron transiciones de electrones para estos materiales, incluidas las transiciones entre átomos como el hidrógeno y el oxígeno en la superficie del cuarzo. El equipo resumió las posibles rutas físicas para las transiciones de electrones entre diferentes átomos durante la electrificación por contacto y señaló dos métodos posibles para la transición de electrones a estados excitados, que incluyen (1) la transición de electrones de la órbita molecular al estado excitado de un átomo, o (2) el excitación de un átomo desde un nivel de energía más bajo a un nivel de energía más alto dentro de un átomo. Además, un electrón en estado excitado puede transitar a un nivel de energía más bajo emitiendo un fotón. La espectroscopia de emisión de fotones de interfaz inducida por electrificación por contacto (CEIIPES) es diferente de los espectros fluorescentes para moléculas, donde CEIIPES se asocia con la emisión de fotones en relación con la transferencia de electrones entre dos átomos. Comparativamente, los espectros de fluorescencia están asociados con la transición de electrones entre niveles moleculares con muchos niveles de vibración. Luego, el equipo destacó el papel del átomo de hidrógeno durante la electrificación por contacto, donde los átomos de H poseían funciones únicas durante los experimentos. Los estudios actuales solo demostraron la emisión de fotones en relación con CEIIPES en interfaces sólido-sólido, el equipo tiene la intención de utilizar el método y revelar fenómenos más interesantes en sólido-líquido, sólido-gas, gas-gas y gas-líquido, así como líquido- interfases líquidas.
Perspectiva
De esta manera, Ding Li y sus colegas observaron espectros de emisión de fotones con características atómicas durante la electrificación por contacto entre dos sólidos. Durante el trabajo, los electrones se transfirieron de un átomo de un material específico a otro átomo en otro material en la interfaz durante la electrificación por contacto en un proceso conocido como espectroscopia de emisión de fotones de interfaz inducida por electrificación por contacto (CEIIPES). El proceso ocurrió a través de la transferencia de resonancia de energía cuando los átomos de diferentes materiales se acercaron entre sí. El equipo analizó los procesos subyacentes a la electrificación por contacto para comprender mejor cómo se cargaron dos materiales después de la electrificación por contacto para evaluar las interacciones entre líquidos, sólidos y gases. El trabajo es específico para interfaces sólido-sólido y es aplicable para casos más generales como la emisión de rayos X y la excitación de electrones Auger.
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