Bioinspired Bulk-Surface Co-Modified Triboelectric Materials for High-Output and Environmentally Stable Self-Powered Sensing
01 研究背景
摩擦納米發電機（TENG）以其柔性、適應性強和結構簡單等優勢，成為微納能量收集領域的研究熱點。然而，目前廣泛使用的聚合物摩擦電材料，其制備往往依賴有機溶劑，帶來環境負擔。水性聚氨酯（WPU）以水為分散介質，環境友好，被視為潛力替代材料，但其摩擦電性能尚不理想，且表面強親水性易吸附濕氣，導致在潮濕環境下輸出不穩定，制約實際應用。為提升性能，研究者常采用摻雜納米填料的策略，但傳統剛性填料與柔性基體力學匹配度差，容易引起應力集中，導致材料微損傷，影響器件可靠性與輸出耐久性。因此，設計一種與水性聚氨酯基體高度相容的功能性填料，在顯著增強摩擦電性能的同時，保持器件原有的柔韌性與結構完整性，成為推動環保型TENG走向實用化的關鍵課題。
02 文章概述
近日，王雙飛院士團隊段青山副教授課題組受血管平滑肌細胞和玫瑰花瓣的雙重啟發，創新性地提出一種“體相-表面雙仿生”協同改性策略，成功設計出兼具高輸出性能與優異環境穩定性的新一代摩擦電材料。該工作巧妙地在WPU體相中引入了由TEMPO氧化納米纖維素（TOCNF）包封的液態金屬（LM）液滴（TOCNF@LM），通過兩者之間的多重相互作用，機械韌性增強至140MJ·m?3，摩擦電輸出提升至210V。另外，在材料表面構筑了仿玫瑰花瓣的微納結構，賦予材料超疏水特性（水接觸角高達145°），進一步將摩擦電性能提升至250V，展現出強大的環境適應能力。該成果以“Bioinspired Bulk-Surface Co-Modified Triboelectric Materials for High-Output and Environmentally Stable Self-Powered Sensing”為題發表在國際學術期刊《Advance Functional Materials》上。碩士生尚柏均和許貝為共同第一作者，段青山副教授為通訊作者，彭偉卿，何娟霞，趙輝，彭治錢，王立坤等參與研究。
03 圖文導讀
1. TOCNF@LM液滴及TLW的設計
受血管平滑肌細胞和玫瑰花瓣的雙重啟發，設計了兼具優秀的電學性能與力學性能的摩擦電材料。通過超聲空化效應，液態金屬被TOCNF封裝形成核殼結構的TOCNF@LM液滴，平均粒徑為350nm。TOCNF@LM液滴在基體內的有序分布，類似于血管平滑肌細胞沿血管壁的分級排列結構。此外，連接液滴之間及液滴與基體的氫鍵“間隙連接”形成了動態可逆的三維網絡，有效緩解應力集中并顯著提升拉伸強度。采用模板法在薄膜表面構筑了仿生玫瑰花瓣狀微結構。當水滴接觸表面時，褶皺結構會在固-液界面間捕獲氣墊層，從而防止潤濕并顯著增強表面疏水性。與此同時，這種乳突-褶皺分級結構在TENG工作的接觸-分離過程中擴大了有效接觸面積，進一步促進摩擦電性能的提升。
2. 基于仿生體相改性提升TLW材料的力學性能
通過嵌入適量TOCNF@LM，該液滴展現出卓越的力學表現——強度高達16.85MPa，韌性更達到140 MJ·m?3。在受到拉伸時，這些嵌入WPU基體中的液滴會像血管中的平滑肌細胞一樣，從初始的球狀逐漸延展為橢球體。這一形變過程，觸發液滴表面的TOCNF與WPU分子鏈之間形成可逆的氫鍵網絡，并發生滑移與重排，從而高效耗散外界機械能，賦予材料優異的抗損傷與恢復性能。
3.通過表面仿生結構改性增強TLW材料的疏水性能
受玫瑰花瓣啟發，TLW的微結構表面具有多級乳突陣列，實現了卓越的疏水性能。其表面密布的微米級乳突與納米級褶皺，共同在固?液界面處形成了復雜且互聯的三維“空氣腔”網絡。這種結構本質上鞏固了Cassie?Baxter潤濕狀態，使液滴懸浮在一層復合氣墊之上。由于接觸面積大幅減小，液滴與基底之間的相互作用被顯著削弱，使該材料具備優異的疏水與自清潔潛能。
4. 基于雙仿生體表共改性提升TLW材料的摩擦電性能
適量的TOCNF@LM可顯著提升材料的摩擦電性能，這主要歸因于導電液態金屬核與絕緣基體間形成的界面顯著增強了界面極化，電荷在這些界面的積累提高了整體介電常數。與此同時，液態金屬與有機基體界面形成的局域態能捕獲載流子并作為電荷陷阱，從而進一步增強材料的電荷存儲能力。此外TLW還具有良好的的環境穩定性與耐久性，即使在高濕度環境（98% RH）及-20℃仍具有良好輸出穩定性。
5. 用于人體滑雪動作監測的自供能傳感器
基于TLW材料卓越的拉伸性、疏水性及高效電輸出性能，制備了一種用于滑雪運動監測的TLW-TENG應變傳感器。該傳感器能在300秒內將1?μF、2.2?μF和10?μF的電容器分別充電至14?V、12?V和9?V，其峰值輸出功率可達1.1?W·m?2。僅通過簡單的手指敲擊動作，即可驅動多達300個LED燈同時點亮，充分體現了其優異的自供能特性。此外，傳感器還具備快速響應能力，能夠穩定檢測并區分手指、手腕、膝蓋等部位的運動信號，為滑雪運動監測、可穿戴設備及自驅動傳感系統提供了可靠的高性能解決方案。
04 結論
本研究通過對TOCNF、液態金屬及WPU進行體相與表面協同改性，制備了一種雙仿生摩擦電材料。這一創新策略成功構建出具有高拉伸性、強韌性與環境適應性的自供能系統，適用于低溫傳感領域。所制得的TLW復合材料展現出卓越的力學韌性（韌性值達140.2 MJ·m?3）、優異疏水性（水接觸角＞144°）及突出的摩擦電性能（開路電壓250 V，短路電流8.19μA）。基于該材料組裝的摩擦納米發電機器件在經歷12,000次機械循環后仍保持99%以上的初始輸出，并在高濕度及-20℃低溫環境下維持穩定輸出，展現了出色的耐久性與環境適應性。本研究為開發能夠在寒冷潮濕環境中穩定工作的新一代自供能可穿戴系統，提供了一種環境友好、易于制備的通用材料設計策略及有效實現路徑。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202528797