【Nano Letters】通過拉普拉斯壓力差驅動的定向吸濕的摩擦電材料 https://mp.weixin.qq.com/s/DBDhm6HaXmoNTMqncUbOkg
01. 研究背景
可穿戴傳感器在人機交互、健康監(jiān)測系統(tǒng)和人體運動監(jiān)測領域蓬勃發(fā)展，使用舒適性已成為可穿戴傳感設備的重要研究方向之一。然而，傳感材料的弱定向吸濕能力導致液體滯留，嚴重制約了可穿戴傳感器的舒適性，導致人體無法適應長期穿戴使用，極大限制了傳感器在實際生活中的普及使用。尤其對于接觸式的可穿戴傳感器，液體滯留會限制電子的遷移，導致傳感基材電信號輸出失真。因此，為傳感材料提供充足的定向吸濕驅動力具有重要的意義。
02. 文章概述
近日，王雙飛院士團隊通過圖案引導對準策略，構建了微山丘陣列，賦予了摩擦電材料定向排濕能力。在拉普拉斯壓力差和潤濕性梯度的驅動下，摩擦電材料可以在2.25 秒內快速定向去除液滴。 定向吸濕排汗摩擦電材料表現出優(yōu)異的壓力傳感性能，能夠實現快速響應/恢復（29.1 ms/37.0 ms），從而實現人體呼吸和運動狀態(tài)的實時在線監(jiān)測。該成果以題為“Directional Moisture?Wicking Triboelectric Materials Enabled by Laplace Pressure Differences”發(fā)表在自然指數期刊《Nano Letters》上，王志偉副教授和2022級本科直博生鄒雪蓮為共同第一作者，聶雙喜教授為通訊作者，劉濤、朱云鵬、吳迪、白亞宇、杜國立、羅斌、張松、遲明超、劉艷華、邵宇正、王金龍參與研究。
03. 圖文導讀
1、定向吸濕摩擦電材料的設計
定向排濕摩擦電材料由區(qū)域性分布的疏水性PTFE顆粒，親水層PAN納米纖維膜和MXene層共同組成。其中，疏水PTFE顆粒在微山丘陣列周圍，形成了不對稱潤濕性的表面。得益于微山丘陣列的結構梯度形成了可以定向輸送液滴的拉普拉斯壓力差。由于拉普拉斯壓力差和潤濕性梯度的耦合作用，本研究顯著縮短了材料的定向除濕時間。將定向排濕摩擦電材料組裝成自供電的可視化呼吸狀態(tài)監(jiān)測裝置，可應用于運動狀態(tài)識別。
圖1 基于定向排濕摩擦電材料的呼吸狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)
2、定向吸濕摩擦電材料的制備策略
通過圖案引導排列和高電位富集策略構建定向吸濕摩擦電材料。PAN納米纖維帶正電，而金屬捕集器帶負電，金屬捕集器上的凸起具有較高的電勢，優(yōu)先引導纖維富集。當富集到一定厚度形成靜電屏蔽時，PAN納米纖維將隨機分散。通過上述簡單的步驟，可以成功制備出具有微山丘陣列的納米纖維膜。微山丘陣列交錯分布，邊高約70μm，脊清晰可見。為了實現PTFE顆粒的區(qū)域分布，依托金屬捕集器作為掩模，采用均勻噴涂方法對PTFE顆粒進行噴涂。
圖2 定向排濕摩擦電材料的制備及表面形貌
3、摩擦電材料的定向吸濕能力及機理
定向排濕摩擦電材料的三層材料具有明顯的潤濕性梯度差。從實時的液面高度變化可以看出，液滴在1.13 s內已經穿透定向吸濕摩擦電材料，2.25 s液滴被排走。摩擦電材料的定向吸濕驅動力來自微山丘陣列產生的拉普拉斯力壓力差和潤濕性梯度差異力。在定向吸濕摩擦電材料的背面，液滴始終無法滲透。定向吸濕摩擦電材料可瞬間（≤1秒）吸收穿著者皮膚上的模擬汗液，并在15分鐘后自然風干，為穿著者皮膚提供干燥舒適的微環(huán)境。
圖3 定向排濕摩擦電材料的單向透水性能
4、定向吸濕摩擦電材料的傳感性能
具有微觀結構特征的表面形貌可以有效提高摩擦電材料的應力傳感性能。微山丘陣列是軟凸結構，在很小的力作用下會響應外界壓力發(fā)生形變。傳感器的響應時間和恢復時間分別為 29.1 ms 和 37.0 ms，能夠在短時間內實現及時的應力反饋。電壓信號僅受應力強度的影響，并且在任何應力值下和不同頻率下都能保持穩(wěn)定的輸出。微山丘陣列結構通過10,000次循環(huán)實驗被證明具有優(yōu)異的傳感穩(wěn)定性，滿足人類日常的大部分需求。
圖4 定向排濕摩擦電材料的自供電傳感性能
5、定向吸濕摩擦電可穿戴傳感器
定向吸濕排汗摩擦電材料通過合理設計組裝到口罩中，隨著人類呼吸運動產生周期性接觸分離。同步檢測的電壓輸出電信號完全還原了一個完整的呼吸過程。當志愿者佩戴口罩時，口鼻呼吸微環(huán)境相對濕度高達90%以上，傳感器仍能保持穩(wěn)定的摩擦電信號輸出。通過連接藍牙模塊，傳感器可以實現無線監(jiān)測志愿者運動時的呼吸。此外，它還可以實時檢測志愿者在靜止、慢走、跑步等不同速度下的運動狀態(tài)。在未來的智能時代，定向吸濕摩擦電自供電傳感器將擁有更廣闊的的應用需求空間。
圖5 用于檢測呼吸狀態(tài)的可穿戴傳感器
04. 結論
本研究制備了具有定向吸濕和傳感特性的摩擦電材料，并將其應用于復雜的口鼻呼吸傳感系統(tǒng)。由于拉普拉斯力差異和潤濕性梯度的協(xié)同效應，水滴被超快地泵送通過摩擦電材料（1.13 s）并被排出（2.25 s）。定向吸濕自供電傳感器在相對濕度高達90%以上的口鼻呼吸微環(huán)境，可以實現穩(wěn)定的電信號輸出和不同呼吸狀態(tài)的有效感知。該研究工作為可穿戴傳感器的設計提供了新的思路，也為復雜環(huán)境條件下傳感器的設計提供了參考解決方案。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01962