电的故事起始于极化。早在人类观察到摩擦琥珀吸附碎屑的现象时，电学的本质便以物质内部的电荷不平衡形式显现。随着研究的深入，人们认识到电荷分离源于材料间电子亲和能的差异以及介质的极化响应。当外界机械作用或电场扰动改变介质内部的极化分布时，体系内部便产生电势差，从而驱动电荷迁移与能量转换。基于这一原理，静电感应为极化过程提供了能量释放的通路，在诸如摩擦纳米发电机、压电发电机以及热释电系统等静电能量收集器中构成了能量收集的核心框架。然而，这类能量转换依赖于介质极化与电荷迁移的协同响应，其动态过程受限于界面充放电与介质松弛时间，输出电流有限，成为提升静电能量收集功率密度的关键瓶颈。

近日，材料科学与工程学院、先进纤维材料全国重点实验室王宏志/侯成义课题组提出了一种基于静电击穿效应的能量释放机制，并据此开发出等离子体增强能源纺织品（Plasma-Enabled Energy Textile, PEET）。该研究揭示了在介电极化与静电感应之间，存在一条被忽视的高效能量传递路径：通过可控的电介质击穿形成微等离子体通道，将缓慢的位移电流过程转化为快速的传导电流过程，实现了能量的快速释放与高效转换。

该工作中，研究人员受自然闪电放电过程的启发，模拟了其中的“回击”（return stroke）机制。在自然闪电中，电荷在导电通道形成后会沿着既有路径迅速反向流动，释放出巨大的能量。团队将这一思想引入纺织结构中，在纤维间构建稳定的等离子体微通道，实现可重复、可控的放电路径。等离子体通道在放电后会产生“记忆效应”，显著降低回击的阈值，使系统能够在较低外场下实现稳定的放电与能量释放。

图1模仿闪电回击的等离子体记忆效应实现稳定、可控的静电击穿

由此，电场击穿被重新定义为一种可利用、可调控的能量释放机制。通过对放电阈值与通道形态的精确设计，等离子体在介质表面周期性形成并消散，既避免了材料损伤，又实现了稳定的能量传递。实验结果表明，该设计有效降低了介质层的等效阻抗，使输出特性由兆欧级降至欧姆级。在低频（2 Hz）机械激励下，PEET纺织品实现了2.5 A·cm-2的电流密度和19%的能量转换效率，较传统摩擦电与压电系统提升了两个数量级。

图2 “极化-感应”能量转换框架依赖电场的变化率，“极化-放电”框架依赖于等离子体的电导率

在应用层面，等离子体增强能源纺织品具有广泛的潜在价值。其高电流输出和低阻抗特性使其能够直接驱动柔性传感器、可穿戴显示或无线通信模块，为自供能电子织物提供新的解决思路。同时，纺织结构内的局部等离子体效应还能拓展至其他功能领域，例如通过低温等离子体在织物表面实现抗菌、抗污染、自清洁功能，或结合生理信号传感实现血流、肌电、呼吸等动态监测。研究团队指出，未来将继续探索PEET在复杂生理环境中的稳定性与生物安全性，并结合磁控、电场反馈等策略进一步优化放电控制与能量管理机制。

图3位移电流和传导电流驱动光电纤维的发光效果对比

相关研究以“Plasma-enhanced electronic textiles for energyharvesting”为题发表在学术期刊Science Advances（Sci. Adv. 2025, 11,eadx2628., DOI:10.1126/sciadv.adx2628）上。材料科学与工程学院博士生林绍妹为第一作者，通讯作者为王宏志教授和侯成义研究员。该研究获得了国家自然科学基金委员会、励志计划等多方面的资助与支持。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx2628