摩擦起电
摩擦起电，相信人们都不陌生。大家都学过比较经典的摩擦起电小实验，使用梳子在头发上摩擦，之后用梳子去靠近纸屑，发现纸屑会“跑”到梳子上。
其原理是一个物体与另一个物体摩擦，使两种物体表面电子产生足够高的能量，从而发生转移。摩擦后两物体表面带有等量异种电荷。一般来讲，具有较强摩擦起电能力的材料一般为导电性能差的绝缘体，电子在绝缘体上持续积累并保持一段时间，形成静电。静电吸引导致纸屑“跑”到梳子上。
静电现象在生活或生产中一般被当做不良反应，例如生活中人体静电电压最高能达 2 万伏，在触碰导体时会“发麻”；飞机与空气摩擦会干扰射频信号发射；静电还可能引燃易燃易爆品等等。
但是，如何采用合适的策略处理静电，变不利为有利呢？科学家们给出了答案。
摩擦纳米发电机
中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士于 2012 年首次研制成功摩擦纳米发电机，发展基于摩擦起电的自驱动能源系统，将“不良反应”为我所用。
摩擦纳米发电机的工作原理非常简单。当两种不同的物体摩擦时，其表面会产生等量的异种电荷，当两个物体分开后，正负电荷也就分开了，这样附着在两个物体上的电极就会感应出电势差，这就相当于一个电池，当两个电极连接负载或在短路状态下，感应电势差就会驱动电子通过外电路流动产生电流。
摩擦纳米发电机（图片来自网络）
摩擦纳米发电机不仅可以将生活中走路、跑步等机械能收集并转化为电能，而且输出的电信号可以作为自驱动传感器应用于触摸传感。因此，摩擦纳米发电机在能源和传感领域具有重要的应用价值。
人体和动物体内蕴藏着大量的能量，如何有效的利用这些能量，就涉及到摩擦纳米发电机的生物医学应用。
摩擦纳米发电机的生物医学应用
中科院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员在 2014 年首次研制成功植入式摩擦纳米发电机，随后在心脏起搏器供能、脉搏传感、心内压传感、成骨细胞分化、杀菌、可降解电子器件的研究中做出了非常有意义的工作。基于植入式摩擦纳米发电机的能源及传感器件已经在神经系统、心血管系统、细胞调节、细菌防止和可降解电子器件等领域逐步发展壮大，并且在一些新的领域中崭露头角。
由于植入环境的特殊性，对摩擦纳米发电机材料的生物安全性、柔韧性提出了很高的要求。同时，水形成的液体环境会严重影响摩擦纳米发电机的输出，就需要对器件做封装处理。科学家们最近研究出一种新的解决方案，使器件在封装和植入之后，摩擦层能够有效分离，并且保持稳定、高性能的电学输出。
摩擦纳米发电机的生物医学应用
磁铁互斥结构的植入式摩擦纳米发发电机
最近，李舟课题组又发明了一种输出稳定的植入式摩擦纳米发电机。由于磁铁的同级斥力，摩擦纳米发电机在封装和植入后电学性能保持很好的稳定性。2.5 cm 直径的器件在封装和植入后可产生高达 70 V 的稳定电压输出。
磁铁互斥结构植入式摩擦纳米发电机
磁铁互斥结构的植入式摩擦纳米发电机用于肿瘤治疗
我们都知道，化学治疗是适用范围最广的肿瘤治疗手段，但仍然具有很多的问题，包括严重的毒副作用和较低的治疗效果。因此科学家将化疗药物阿霉素装载入红细胞膜内，这样，红细胞就可以将阿霉素带到肿瘤部位定点发挥作用，减少阿霉素与正常细胞的接触，降低阿霉素的使用量，从整体上降低化疗药物的毒副作用。
磁铁摩擦纳米发电机改变细胞膜通透性
将磁铁互斥结构的植入式摩擦纳米发电机与叉指电极或微针电极结合，构建高场强电场控制红细胞膜的通透性，实现了精准控制红细胞膜内药物释放的效果。精准的药物释放控制使得药物对肿瘤的杀死效率大大提升。该体系在小鼠实体瘤上实现了低浓度给药剂量前提下优异的肿瘤治疗效果，并显著提高了荷瘤小鼠的生存周期。
磁铁摩擦纳米发电机控制药物递送用于肿瘤治疗
相关研究拓宽了植入式摩擦纳米发电机在生物医学领域的研究范围，并对穿戴式和植入式电子医疗领域的发展进步具有重要的意义。相关研究发表在国际期刊《先进功能材料》上（Adv. Funct. Mater. 2019, 1808640, doi.org/10.1002/adfm.201808640
来源：中国科学院北京纳米能源与系统研究所
