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  柔性摩擦納米發(fā)電機（TENG）因其在機械能收集、自供電傳感和人機交互中的廣泛應(yīng)用潛力，近年來備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)TENG材料在實際應(yīng)用中面臨多重挑戰(zhàn)：首先，其機械性能不足，難以應(yīng)對復(fù)雜或高強度的動態(tài)應(yīng)力環(huán)境；其次，自修復(fù)能力欠佳，限制了材料的使用壽命和維護效率；此外，其極端環(huán)境適應(yīng)性較差，在極端溫度、高濕環(huán)境或長期使用條件下性能易衰減。低共熔凝膠（Eutectogel）因其優(yōu)異的離子電導(dǎo)率、良好的熱穩(wěn)定性和綠色可持續(xù)性，被視為柔性TENG的理想材料。但如何系統(tǒng)化進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，提升低共熔凝膠機械強度、自修復(fù)能力的同時，賦予材料極端環(huán)境適應(yīng)性并優(yōu)化TENG的電輸出性能，仍是亟待解決的核心挑戰(zhàn)。

  針對上述挑戰(zhàn)，近日，大連工業(yè)大學(xué)孫潤倉教授、邵長優(yōu)副教授團隊和北京林業(yè)大學(xué)文甲龍教授團隊提出了一種創(chuàng)新的內(nèi)外雙增強策略（IEDRS），通過分子層面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和多組分協(xié)同增強，顯著改善了低共熔凝膠的綜合性能。該策略通過內(nèi)部增強和外部增強實現(xiàn)性能突破：內(nèi)部通過引入高活性的甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）與過量乳酸（LA）反應(yīng)形成共軛物單體，并在低共熔溶劑（氯化膽堿/乳酸）中通過無引發(fā)劑的紫外光直接引發(fā)原位聚合的創(chuàng)新性合成技術(shù)，構(gòu)建了具有機械強韌與動態(tài)自愈特性的低共熔凝膠互鎖網(wǎng)絡(luò)骨架；外部則加入植物衍生的木質(zhì)素（Lignin）天然高分子，利用其本征剛性結(jié)構(gòu)和豐富羥基的動態(tài)氫鍵界面，同步提升低共熔凝膠的力學(xué)強度和自主愈合能力，并賦予凝膠卓越的可逆表面黏附性質(zhì)。內(nèi)部交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與外部氫鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)同作用相結(jié)合，實現(xiàn)低共熔凝膠高機械強度、超強韌性、快速自愈、高離子導(dǎo)電性和優(yōu)異極端環(huán)境適應(yīng)性的有效集成。該策略創(chuàng)新性地結(jié)合化學(xué)交聯(lián)與物理交聯(lián)，通過分子耦合作用將多種優(yōu)異性能融入單一材料體系中，同時以綠色可持續(xù)的木質(zhì)素和低共熔溶劑體系為基礎(chǔ)，展現(xiàn)出高效、環(huán)保和可持續(xù)的材料開發(fā)潛力。

  基于IEDRS策略制備的GLCL凝膠在多項關(guān)鍵性能上實現(xiàn)了突破：其機械性能顯著提升，斷裂應(yīng)力高達(dá)1.53 MPa，韌性達(dá)到1.85 MJ/m3；材料的黏附性能表現(xiàn)優(yōu)異，最大黏附強度可達(dá)4.76 MPa；同時具備優(yōu)異的自修復(fù)能力，切割后的材料在室溫下可在12小時內(nèi)恢復(fù)84.7%的強度。此外，GLCL凝膠具有卓越的環(huán)境適應(yīng)性，能夠在?40°C至100°C的寬溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定性能。這些優(yōu)異特性使其成為柔性電子和極端環(huán)境應(yīng)用中的理想材料。

  基于GLCL凝膠制備的摩擦電納米發(fā)電機（GLCL-TENG）展現(xiàn)出卓越的性能和廣泛的應(yīng)用潛力。其電輸出性能優(yōu)異，開路電壓高達(dá)294.4 V、短路電流1.9 μA、轉(zhuǎn)移電荷92.4 nC，并在動態(tài)條件下保持穩(wěn)定。得益于GLCL內(nèi)強烈的動態(tài)氫鍵相互作用，材料能夠快速自修復(fù)，即使在受損條件下依然保持強勁的電輸出能力。同時，GLCL-TENG在?40°C至100°C的寬溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定輸出，并經(jīng)過10,000次接觸分離循環(huán)后性能無明顯衰減，展現(xiàn)出優(yōu)異的耐用性和極端環(huán)境適應(yīng)性。憑借這些卓越性能，GLCL-TENG在自供電傳感與人機交互領(lǐng)域表現(xiàn)突出，能夠精準(zhǔn)檢測手指、手腕及手臂的運動，廣泛適用于可穿戴設(shè)備和智能交互應(yīng)用，并成功實現(xiàn)無線控制賽車游戲等創(chuàng)新應(yīng)用。作為一種理想的全氣候能量采集解決方案，GLCL-TENG可為便攜式電子設(shè)備提供獨立供電，進(jìn)一步拓展了其在能源采集和智能傳感領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。

圖 6：GLCL-TENG在全天候生物機械能量收集中的應(yīng)用。

圖8：利用自供電GLCL-TNEG控制界面實現(xiàn)無線操控下的車輛運動。

  以上研究成果近期以“Mechanically Resilient, Self-Healing, and Environmentally Adaptable Eutectogel-Based Triboelectric Nanogenerators for All-Weather Energy Harvesting and Human?Machine Interaction為題，發(fā)表在期刊《ACS Nano》上。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c12130