廣西大學(xué)王雙飛院士團(tuán)隊(duì)段青山【Adv. Funct. Mater.】生物啟發(fā)體-表面共改性摩擦電材料
01 研究背景
摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）以其柔性、適應(yīng)性強(qiáng)和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，成為微納能量收集領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。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(jī)溶劑，帶來環(huán)境負(fù)擔(dān)。水性聚氨酯（WPU）以水為分散介質(zhì)，環(huán)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(qiáng)親水性易吸附濕氣，導(dǎo)致在潮濕環(huán)境下輸出不穩(wěn)定，制約實(shí)際應(yīng)用。為提升性能，研究者常采用摻雜納米填料的策略，但傳統(tǒng)剛性填料與柔性基體力學(xué)匹配度差，容易引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料微損傷，影響器件可靠性與輸出耐久性。因此，設(shè)計(jì)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(qiáng)摩擦電性能的同時(shí)，保持器件原有的柔韌性與結(jié)構(gòu)完整性，成為推動(dòng)環(huán)保型TENG走向?qū)嵱没年P(guān)鍵課題。
02 文章概述
近日，王雙飛院士團(tuán)隊(duì)段青山副教授課題組受血管平滑肌細(xì)胞和玫瑰花瓣的雙重啟發(fā)，創(chuàng)新性地提出一種“體相-表面雙仿生”協(xié)同改性策略，成功設(shè)計(jì)出兼具高輸出性能與優(yōu)異環(huán)境穩(wěn)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(tài)金屬（LM）液滴（TOCNF@LM），通過兩者之間的多重相互作用，機(jī)械韌性增強(qiáng)至140MJ·m?3，摩擦電輸出提升至210V。另外，在材料表面構(gòu)筑了仿玫瑰花瓣的微納結(jié)構(gòu)，賦予材料超疏水特性（水接觸角高達(dá)145°），進(jìn)一步將摩擦電性能提升至250V，展現(xiàn)出強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)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(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)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(dǎo)讀
1. TOCNF@LM液滴及TLW的設(shè)計(jì)
受血管平滑肌細(xì)胞和玫瑰花瓣的雙重啟發(fā)，設(shè)計(jì)了兼具優(yōu)秀的電學(xué)性能與力學(xué)性能的摩擦電材料。通過超聲空化效應(yīng)，液態(tài)金屬被TOCNF封裝形成核殼結(jié)構(gòu)的TOCNF@LM液滴，平均粒徑為350nm。TOCNF@LM液滴在基體內(nèi)的有序分布，類似于血管平滑肌細(xì)胞沿血管壁的分級(jí)排列結(jié)構(gòu)。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(dòng)態(tài)可逆的三維網(wǎng)絡(luò)，有效緩解應(yīng)力集中并顯著提升拉伸強(qiáng)度。采用模板法在薄膜表面構(gòu)筑了仿生玫瑰花瓣?duì)钗⒔Y(jié)構(gòu)。當(dāng)水滴接觸表面時(shí)，褶皺結(jié)構(gòu)會(huì)在固-液界面間捕獲氣墊層，從而防止?jié)櫇癫@著增強(qiáng)表面疏水性。與此同時(shí)，這種乳突-褶皺分級(jí)結(jié)構(gòu)在TENG工作的接觸-分離過程中擴(kuò)大了有效接觸面積，進(jìn)一步促進(jìn)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(xué)性能
通過嵌入適量TOCNF@LM，該液滴展現(xiàn)出卓越的力學(xué)表現(xiàn)——強(qiáng)度高達(dá)16.85MPa，韌性更達(dá)到140 MJ·m?3。在受到拉伸時(shí)，這些嵌入WPU基體中的液滴會(huì)像血管中的平滑肌細(xì)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(fā)液滴表面的TOCNF與WPU分子鏈之間形成可逆的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，并發(fā)生滑移與重排，從而高效耗散外界機(jī)械能，賦予材料優(yōu)異的抗損傷與恢復(fù)性能。
3.通過表面仿生結(jié)構(gòu)改性增強(qiáng)TLW材料的疏水性能
受玫瑰花瓣啟發(fā)，TLW的微結(jié)構(gòu)表面具有多級(jí)乳突陣列，實(shí)現(xiàn)了卓越的疏水性能。其表面密布的微米級(jí)乳突與納米級(jí)褶皺，共同在固?液界面處形成了復(fù)雜且互聯(lián)的三維“空氣腔”網(wǎng)絡(luò)。這種結(jié)構(gòu)本質(zhì)上鞏固了Cassie?Baxter潤(rùn)濕狀態(tài)，使液滴懸浮在一層復(fù)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(yōu)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?dú)w因于導(dǎo)電液態(tài)金屬核與絕緣基體間形成的界面顯著增強(qiáng)了界面極化，電荷在這些界面的積累提高了整體介電常數(shù)。與此同時(shí)，液態(tài)金屬與有機(jī)基體界面形成的局域態(tài)能捕獲載流子并作為電荷陷阱，從而進(jìn)一步增強(qiáng)材料的電荷存儲(chǔ)能力。此外TLW還具有良好的的環(huán)境穩(wěn)定性與耐久性，即使在高濕度環(huán)境（98% RH）及-20℃仍具有良好輸出穩(wěn)定性。
5. 用于人體滑雪動(dòng)作監(jiān)測(cè)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(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的TLW-TENG應(yīng)變傳感器。該傳感器能在300秒內(nèi)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(dá)1.1?W·m?2。僅通過簡(jiǎn)單的手指敲擊動(dòng)作，即可驅(qū)動(dòng)多達(dá)300個(gè)LED燈同時(shí)點(diǎn)亮，充分體現(xiàn)了其優(yōu)異的自供能特性。此外，傳感器還具備快速響應(yīng)能力，能夠穩(wěn)定檢測(cè)并區(qū)分手指、手腕、膝蓋等部位的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，為滑雪運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、可穿戴設(shè)備及自驅(qū)動(dòng)傳感系統(tǒng)提供了可靠的高性能解決方案。
04 結(jié)論
本研究通過對(duì)TOCNF、液態(tài)金屬及WPU進(jìn)行體相與表面協(xié)同改性，制備了一種雙仿生摩擦電材料。這一創(chuàng)新策略成功構(gòu)建出具有高拉伸性、強(qiáng)韌性與環(huán)境適應(yīng)性的自供能系統(tǒng)，適用于低溫傳感領(lǐng)域。所制得的TLW復(fù)合材料展現(xiàn)出卓越的力學(xué)韌性（韌性值達(dá)140.2 MJ·m?3）、優(yōu)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(fā)電機(jī)器件在經(jīng)歷12,000次機(jī)械循環(huán)后仍保持99%以上的初始輸出，并在高濕度及-20℃低溫環(huán)境下維持穩(wěn)定輸出，展現(xiàn)了出色的耐久性與環(huán)境適應(yīng)性。本研究為開發(fā)能夠在寒冷潮濕環(huán)境中穩(wěn)定工作的新一代自供能可穿戴系統(tǒng)，提供了一種環(huán)境友好、易于制備的通用材料設(shè)計(jì)策略及有效實(shí)現(xiàn)路徑。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202528797