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【ACS Nano】可任意變形、瞬時自愈合的摩擦納米發電機
發表日期: 2019-09-16 文章來源:
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  柔性電子設備或軟體機器人取得了飛速的發展,其中的一個挑戰是實現可持續的、功能匹配的電源。例如,理想情況下,用于電子皮膚的能源器件應該能夠粘附在彎曲的人體皮膚并相應地變形,甚至損壞后能自動修復;軟機器人的能源器件也可能需要適應不規則和動態的形狀或表面,然而,大多數傳統的電磁式發電機、儲能電池等電源由于材料選擇和特定結構要求的限制,無法滿足這些要求。近來快速發展的摩擦納米發電機TENG),是一種極具前景的能源器件,可用于軟體電子/機器人技術。研究人員已經研發了各種柔性和可拉伸的TENG,它們可以收集各種機械能。但這些柔性和可拉伸的TENG的變形能力有限。除此之外,也有一些研究人員研發了自愈合的TENG然而,制備的自愈合的TENG需要加熱或很長時間才能愈合,因此,制備可任意變形和瞬間自愈合的的TENG依然存在一定的挑戰     

  近日,中國科學院北京納米能源與系統研究所蒲雄研究員、胡衛國研究員、王中林院士的研究團隊,研制出了一種可任意變形和瞬時自愈合的摩擦納米發電機,該器件具有高度形狀自適應、瞬時室溫自愈合和高輸出的特點。研究成果發表在近期的ACS Nano (2019, 13, 8, 8936-8945. https://doi.org/10.1021/acsnano.9b02690).      

  研究人員首先利用羥基封端的聚二甲基硅氧烷(PDMS)與硼酸脫水縮合得到橡皮泥。制得的橡皮泥具有獨特的性質,隨著時間的推移,它能夠像液體一樣緩緩流動。輕輕地捏,可將其捏成各種形狀。這是由于橡皮泥中存在動態的硼氧配位鍵,橡皮泥變形時,聚合物鏈是可移動的,動態鍵發生斷裂并在不同的地方重新形成。制得的橡皮泥同時具有自愈合的功能,其在受到機械損傷后,動態的硼氧配位鍵和氫鍵可以重新結合,使其恢復原有的功能。然后將多壁碳納米管分散到橡皮泥中,制得可任意變形和自愈合的導電橡皮泥,用橡皮泥將導電橡皮泥進行封裝,制得可任意變形、自愈合的摩擦納米發電機。制備的TENG能夠產生高達140伏的開路電壓,瞬時功率密度為410毫瓦/每平方米。此TENG具有高輸出的原因是軟性固-固界面接觸和橡皮泥極強的摩擦電負性。橡皮泥具有比常用的PTFE更強的摩擦電負性。此TENG可以粘附到任意曲面,同時可裁剪并重新組裝成新的形狀。此TENG有望應用于電子皮膚、軟體機器人、以及可穿戴電子等領域。 

1 形狀自適應TENG的結構示意圖、形狀自適應實物展示、以及自愈合機理示意。

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