王中林Adv.Mater.：具有形狀記憶功能的柔性摩擦納米發電機

【引言】

形狀記憶聚合物（SMP）是一種具有刺激響應功能的智能材料。對熱響應形狀記憶聚合物而言，在高於轉變溫度 (融化溫度或者玻璃化轉變溫度) 對材料進行變形，保持形變降溫後可以鎖定一個臨時形狀；當去除外力升溫到轉變溫度以上，由於聚合物熵彈性的驅動，材料又回復到初始的形狀。這種獨特的性能使得形狀記憶聚合物在生物醫用器件，柔性機器人，柔性電子器件和航空航天領域都有著廣泛的應用。近年來，基於接觸起電和靜電感應原理的摩擦納米發電機（TENG）被開發出來用於能量收集器，自驅動的壓力、運動和化學等檢測感測器。製備具有高拉伸、可變形和形狀適應性的功能器件，在柔性機器人和可穿戴/植入式電子設備和健康醫療等許多方面顯示出了巨大的應用前景。

【成果簡介】

最近，美國喬治亞理工學院的H. Jerry Qi教授與中科院北京納米能源與系統研究所所長、美國喬治亞理工學院校董教授王中林院士，蘇州大學的孫寶全教授合作（共同通訊作者），博士生劉瑞遠，博士後匡曉和博士生鄧佳楠利用熱響應形狀記憶聚合物製備了一種可以收集生物機械能和探測生物運動信號的摩擦納米發電機。通過結合形狀記憶材料的獨特性能和離子導電液體電極的可流動性，這種摩擦納米發電機可以隨著不同使用要求改變並且維持特定形狀。除了能夠採集機械能，這種裝置還可以作為一種多功能的可穿戴柔性自驅動感測器，該工作展示了功能材料在能量採集器件，自驅動感測器和柔性機器人中的新應用。研究人首先利用一種含有光固化丙烯酸酯和半結晶性熱塑性聚己內酯（PCL）的混合物雜化樹脂，通過光固化製備一個半互穿聚合物網路的彈性體。在室溫下，PCL形成微小的晶體均勻分散在彈性體內部，在材料拉伸時起到抑制微裂紋擴展和提高材料模量與韌性的作用。同時，PCL形成一個物理交聯網路，起到形狀記憶開關相的作用，賦予材料形狀記憶的功能。通過調節形狀記憶彈性體中PCL含量，可以得到斷裂伸長率達900%，形狀固定率近100%，形狀回復率達97%的大應變形狀記憶彈性體，這顯示出了這種材料優異的機械性能與形狀記憶性能。進一步在聚合物空腔內部注入離子導電的液體（如氯化鈉水溶液），製備出了具有形狀記憶功能的單電極TENG器件。通過結合形狀記憶彈性體的獨特性能和離子導電液體電極的可流動性，這種柔性的TENG表現出高拉伸性能和形狀適應性能。該器件在1000 MΩ的匹配電阻下，得到了282 mW/m2的最大輸出功率，在手動拍打器件收集能量的情況下可以在180 s內將一個100 μF容量的電容器充到1.5 V，能夠用於驅動一個電子手錶，並成功應用於緩解腕間隧道綜合征的智能夾板上。該研究成果以「Shape Memory Polymers for Body Motion Energy Harvesting and Self-Powered Mechanosensing」為題，發表在近期的Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖1 形狀記憶材料的機理和熱力學性能

A)形狀記憶材料的記憶機理示意圖；

B)拉伸強度測試；

C)不同組分PCL製備材料的透光測試；

D)DMA測試；

E)DSC測試。

圖2 材料的形狀記憶性能測試

A)形狀記憶材料受熱前的形狀照片以及紅外熱成像照片；

B)形狀記憶材料受熱後的形狀照片以及紅外熱成像照片；

C)DMA形狀記憶測試；

D)Rf和Rr測試。

圖3 摩擦納米發電機的製備和性能測試

A)發電機的器件示意圖；

B)接觸起電的原理示意圖；

C)和不同材料接觸以後產生的電壓；

D)電壓的分布圖；

E)使用不同濃度電解質產生的電量；

F)電量的分布圖。

圖4 納米發電機輸出性能的優化研究

A)不同工作頻率下的電量；

B)不同工作頻率下的開路電壓；

C)不同工作頻率下的短路電流密度；

D)不同外接負載下的輸出功率變化；

E)不同最大接觸距離下的電量和開率電壓；

F)短路電流密度和接觸頻率、最大接觸距離的關係。

圖5 形狀記憶摩擦納米發電機的拉伸和記憶性能

A)150盞LED燈被點亮；

B)產生的電量用於驅動電子手錶；

C)不同拉伸比例下的電量；

D)拉伸的裝置圖；

E-I)器件的拉伸和彎曲等形狀記憶表徵。

圖6 形狀記憶納米發電機在智能夾板中的應用

A)納米發電機示意圖；

B)製備表面結構的硅膠；

C)改變形狀以後的納米發電機；

D)電壓-接觸壓力關係曲線；

E)探測系統示意圖；

F)手腕小的運動幅度不觸發警報；

G)手腕大的運動幅度觸發警報；

H)手腕不同運動幅度下的電壓信號。

【小結】

該研究的最大意義在於，通過智能材料與功能器件的結合，展示了形狀記憶等智能材料在能量收集器件，自驅動感測器和柔性機器人中的新應用。這種通過簡單的製備即可得到具有多種功能的聚合物，具有成本低廉，容易量產的優點，對於多功能材料的開發與智能器件的製備有著重要的啟示作用。

【團隊介紹】

王中林，中國科學院外籍院士和歐洲科學院院士，喬治亞理工學院終身校董。喬治亞理工學院終身校董事講席教授，Hightower終身講席教授，工學院傑出講席教授和納米結構表徵中心主任。首位中組部 「千人計劃」頂尖千人與團隊入選者，教育部長江學者講座教授。中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家和首任所長。王中林院士的開創性工作榮獲了多項國際榮譽：美國顯微鏡學會 1999年巴頓獎章﹐2009年美國陶瓷學會Purdy獎，2011年美國材料學會獎章(MRS Medal), 2012年美國陶瓷學會Edward OrtonMemorial 獎,2013 ACS Nano 講座獎，2014年美國物理學會James C. McGroddy 新材料獎，2013中華人民共和國國際科學技術合作獎，2014年喬治亞理工學院傑出教授終身成就獎，2014年NANOSMAT獎，2014年材料領域世界技術獎。王院士是美國物理學會fellow, 美國科學發展協會(AAAS) fellow，美國材料學會 fellow，美國顯微學會fellow, 美國陶瓷學會fellow，英國皇家化學學會fellow。2015年9月24日，湯森路透集團（THOMSONREUTERS）發布了2015年度引文桂冠獎（CitationLaureates）獲獎名單（諾貝爾獎風向標）。中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家、喬治亞理工學院終身校董事講席教授王中林院士成為物理學領域獲獎人之一，也是該獎項唯一的華人獲獎者。今年8月23日至25日在瑞典斯德哥爾摩舉行的歐洲先進材料大會上，王中林院士又以在先進材料科學和技術領域所做出傑出的貢獻，而榮獲2016年度先進材料獎。

王中林院士是國際公認的納米科技領域領軍人物。在一維氧化物納米結構製備、表徵及其在能源技術、電子技術、光電子技術以及生物技術等應用方面均作出了原創性重大貢獻。他發明了納米發電機,並提出了自充電納米結構系統,為微納電子系統的發展開闢了新途徑。他開創了納米結構壓電電子學和壓電光電子學研究的先河，對納米機器人、人-電界面、納米感測器、醫學診斷及光伏技術的發展具有里程碑意義。已在國際一流刊物上發表超過1400篇期刊論文（其中，《科學》、《自然》、及其子刊40餘篇），擁有200項專利，7本專著和20餘本編輯書籍和會議文集。他的學術論文已被引用85,000次以上。他論文被引用的H因子(h-index)是160。Nano Energy 的發刊主編和現任主編。

劉瑞遠博士（第一作者）、鄧佳楠博士（共同一作）等人為喬治亞理工學院王中林院士課題組團隊成員。

王中林院士個人成果網址：

http://www.nanoscience.gatech.edu/group/Current%20Members/Group%20Leader/Zhong%20Lin%20Wang.php。

王中林院士研究組主頁：

http://www.binn.cas.cn/ktz/wzlyjz/yjzjjwzl/。

文獻鏈接：Shape Memory Polymers for Body Motion Energy Harvesting and Self-Powered Mechanosensing (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201705195)

本文由王中林院士團隊供稿。

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