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蘇大汪曉巧教授、張克勤教授Nano Lett.：仿生超拉伸、結(jié)構(gòu)可編程Janus螺旋水凝膠纖維用于應(yīng)變不敏感的人體熱能收集與傳感
2025-02-10  來(lái)源：高分子科技

  近日，蘇州大學(xué)汪曉巧教授、張克勤教授在《Nano Letters》上發(fā)表了題為“Bioinspired Programmable and Ultrastretchable Janus Helical Hydrogel Fibers for Strain-Invariant Thermoelectric Body Heat Harvesting and Sensation”的研究成果。


  受植物卷須結(jié)構(gòu)的仿生啟發(fā)，本研究創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)并制備了一種具有Janus異質(zhì)結(jié)構(gòu)的熱電螺旋水凝膠纖維。該纖維在超高應(yīng)變條件下展現(xiàn)出卓越的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，能夠完全保持其原始熱電性能；谏飸(yīng)變失配機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)了一種可規(guī)；苽涞Janus螺旋纖維，該纖維由聚丙烯酸鈉（PANa）和聚丙烯酸鈉/單壁碳納米管（PANa-SWCNT）復(fù)合水凝膠構(gòu)成，并實(shí)現(xiàn)了螺旋直徑的可調(diào)控性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的螺旋纖維具有優(yōu)異的超拉伸性能，其內(nèi)置溫度梯度和電阻值在高達(dá)650%的應(yīng)變條件下仍能保持恒定，從而確保了熱電纖維的穩(wěn)定能量輸出性能。進(jìn)一步地，通過(guò)集成90對(duì)p/n螺旋熱電水凝膠纖維，成功構(gòu)建了自適應(yīng)熱收集系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了6.51 mV cm-2的電壓密度輸出。值得注意的是，該器件展現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)境溫度感知能力，其靈敏度達(dá)到-176 μV/℃，且該性能不受人體運(yùn)動(dòng)的影響。


圖1 p/n交替的Janus螺旋水凝膠纖維的仿生制備及其應(yīng)變不敏感的熱電特性


圖2 熱電螺旋水凝膠纖維的制備及其結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性


Janus纖維的制備過(guò)程


通過(guò)施加應(yīng)力形成螺旋纖維


  圖2說(shuō)明了通過(guò)冷拔工藝將Janus直纖維轉(zhuǎn)化為螺旋結(jié)構(gòu)的過(guò)程。這一結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變主要源于Janus 纖維中PANa水凝膠超細(xì)纖維與PANa-SWCNT復(fù)合水凝膠超細(xì)纖維之間的應(yīng)變不匹配特性。獨(dú)特的Janus異質(zhì)結(jié)構(gòu)的彈塑性是螺旋纖維制造的基礎(chǔ)，因此通過(guò)改變施加的預(yù)應(yīng)變大小，可得到不同直徑的螺旋線圈，從而實(shí)現(xiàn)螺旋結(jié)構(gòu)的可編程化制備。


圖3 p/n交替的Janus螺旋水凝膠纖維的制備及性能研究


  本研究采用聚乙烯亞胺（PEI）溶液作為n型摻雜劑對(duì)Janus螺旋水凝膠纖維進(jìn)行n型改性處理。為優(yōu)化纖維的熱電性能，系統(tǒng)研究了不同PEI濃度對(duì)n型熱電纖維性能，并通過(guò)對(duì)比分析確定了具有最佳熱電性能的PEI摻雜濃度。可以看出，改性成功的p/n熱電螺旋纖維的開(kāi)路電壓隨著p/n對(duì)數(shù)的增加而增大，并且具有良好的均勻性和連續(xù)性。


圖4 超可拉伸的熱電Janus螺旋水凝膠纖維的應(yīng)變不敏感性能研究


  維持螺旋纖維內(nèi)置溫度梯度（ΔT’）的穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)應(yīng)變不敏感熱電性能的關(guān)鍵；COMSOL Multiphysics的有限元模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)共同證實(shí)，即使在650%的超高應(yīng)變范圍內(nèi)，螺旋纖維仍能保持ΔT’的穩(wěn)定。當(dāng)線圈軸向間距進(jìn)一步縮小時(shí)，ΔT’會(huì)相應(yīng)地下降。循環(huán)力學(xué)測(cè)試顯示，在600%應(yīng)變下經(jīng)歷500次連續(xù)加載-卸載循環(huán)后，器件的電阻波動(dòng)幅度始終低于4%，展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)電穩(wěn)定性。


圖5 用于應(yīng)變不敏感的可穿戴電子器件的可拉伸熱電Janus螺旋水凝膠纖維


  本研究開(kāi)發(fā)了一種基于熱電Janus螺旋纖維的可穿戴能量收集裝置。該裝置由90對(duì)串聯(lián)的p/n熱電單元構(gòu)成，具有優(yōu)異的曲面順應(yīng)性和機(jī)械柔韌性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)該器件集成于人體手臂時(shí)，能夠有效收集并轉(zhuǎn)換人體熱能。值得注意的是，該熱電纖維在不同環(huán)境條件和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下均表現(xiàn)出穩(wěn)定的能量收集性能。此外，該器件還展現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)變不敏感特性，其溫度傳感靈敏度達(dá)到 -176 μV/℃，且輸出電壓信號(hào)不受手指彎曲等機(jī)械形變的干擾。這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)為可穿戴熱電設(shè)備的開(kāi)發(fā)提供了新的思路，在人體能量收集和溫度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。


  蘇州大學(xué)汪曉巧教授和張克勤教授為本文的通訊作者，碩士生王哲和博士生蔣望凱為論文的共同一作。


  原文鏈接

  Wang, Z.; Jiang, W.; Cao, P.; Wang, Y.; Xie, A.-Q.; Niu, S.; Xu, Y.; Li, L.; Zhang, K.-Q.; Wang, X.-Q.   Bioinspired Programmable and Ultrastretchable Janus Helical Hydrogel Fibers for Strain-Invariant Thermoelectric Body Heat Harvesting and Sensation. Nano Letters 2025.

  https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c06094

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（責(zé)任編輯：xu）
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