【Nano Energy】抗凍、抗干燥和可拉伸的摩擦電材料 https://mp.weixin.qq.com/s/bPZPRVtlpPD9y1xkjQTITA
01. 研究背景可穿戴傳感器在人機(jī)交互、健康監(jiān)測系統(tǒng)和人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，傳感材料的開發(fā)已成為可穿戴傳感設(shè)備的重要研究方向之一。然而，大多數(shù)傳感器電極材料是剛性和脆性的金屬材料，柔韌性差且容易脫落，可能導(dǎo)致輸出信號(hào)失真，極大限制了傳感器在實(shí)際生活中的普及使用。此外，制備過程需要消耗時(shí)間和額外的能量。因此，開發(fā)一種簡單且快速的策略，制備多功能的傳感電極器材料具有重要的意義。02. 文章概述近日，王雙飛院士團(tuán)隊(duì)成功制備了具有類共價(jià)氫鍵相互作用的可拉伸摩擦電材料。類共價(jià)氫鍵相互作用賦予了摩擦電材料拉伸性、抗凍性、抗干燥性、導(dǎo)電性和粘附性等多功能性。該材料作為電極材料，被組裝成單電極摩擦電納米發(fā)電機(jī)（S-TENG），可以在多重環(huán)境（多次大形變、高低溫等）影響下穩(wěn)定輸出。與機(jī)械抓手集成，能夠準(zhǔn)確識(shí)別不同物品，為多種環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)觸覺感知提供了技術(shù)基礎(chǔ)。該成果以題為“Anti-freeze, anti-dehydrating and stretchable triboelectric materialsenabled by covalent-like hydrogen bond interaction”發(fā)表在《Nano Energy》上，博士后袁金霞和博士生鄒雪蓮為共同第一作者，王志偉副教授和聶雙喜教授為通訊作者，秦影、劉濤、杜國立、羅斌、遲明超、劉艷華、邵宇正、趙佳敏和吳迪參與研究。03. 圖文導(dǎo)讀
1、摩擦電材料的設(shè)計(jì)本研究提出一種簡單而快速的策略，利用木質(zhì)素基大分子自催化體系（SL-Fe3+）提供能量，引發(fā)單體聚合成聚丙烯酰胺（PAM）鏈。隨后，PAM鏈和海藻糖（Tr）形成類共價(jià)氫鍵相互作用，成功制備凝膠基多功能摩擦電材料。其中類共價(jià)氫鍵相互作用賦予了摩擦電材料拉伸性（2840%）、抗凍性（-18℃）和抗干燥性（40℃）等多功能性。該材料作為電極材料，被組裝成單電極摩擦電納米發(fā)電機(jī)，具有良好的應(yīng)力靈敏度（0.39 kPa-1）和優(yōu)秀的響應(yīng)時(shí)間（79 ms）。圖1 類共價(jià)氫鍵相互作用實(shí)現(xiàn)的摩擦電材料
2、摩擦電材料的制備圖2展示了通過動(dòng)態(tài)氧化還原反應(yīng)快速制備摩擦電材料的過程。SL-Fe3+和APS之間的多重動(dòng)態(tài)氧化還原反應(yīng)構(gòu)建了一個(gè)可逆的醌-兒茶酚氧化還原平衡環(huán)境，加速了APS分解為SO4-自由基和OH自由基，促使單體自聚合成PAM鏈。PAM鏈上的許多極性基團(tuán)進(jìn)而與Tr形成類共價(jià)氫鍵。
圖2摩擦電材料的動(dòng)態(tài)氧化還原快速制備
3、摩擦電材料的力學(xué)性能和自粘性摩擦電材料具有拉伸性和柔韌性，可以維持柔性TENG多次變形下的結(jié)構(gòu)完整和穩(wěn)定性。Tr能夠與PAM聚合物鏈形成類共價(jià)氫鍵，輔以CNF作為凝膠網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)劑，從而對(duì)凝膠網(wǎng)絡(luò)起到動(dòng)態(tài)修復(fù)的作用。與純PAM水凝膠相比，CNF的存在提高了水凝膠的拉伸性能。且由Tr和CNF協(xié)同修復(fù)增強(qiáng)的CNF-SL / 0.8 Tr-PAM摩擦電材料表現(xiàn)了卓越的拉伸性能，極限拉伸強(qiáng)度高達(dá)228.5 kPa。其卓越的拉伸應(yīng)變和應(yīng)力遠(yuǎn)高于近年來有關(guān)木質(zhì)素自催化PAM水凝膠的研究報(bào)道。
圖3 類共價(jià)氫鍵相互作用對(duì)摩擦電材料機(jī)械性能和自粘合性能的增強(qiáng)。
4、摩擦電材料的抗凍性和抗脫水性摩擦電材料的失水通常會(huì)導(dǎo)致其機(jī)械性能和導(dǎo)電性能的嚴(yán)重退化，而Tr的存在能有效地減緩其失水速率。25℃放置七天后，其固含量仍高達(dá)67.4%。而無Tr的水凝膠因水分嚴(yán)重蒸發(fā)而變得干硬，固形物含量僅剩42.6%。出色的抗脫水性得益于Tr和PAM鏈之間形成了類共價(jià)氫鍵，從而對(duì)凝膠網(wǎng)絡(luò)起到鎖水保持的作用。將不同溫度下的CNF-SL / 0.8Tr-PAM摩擦電材料作為電路的導(dǎo)體，成功點(diǎn)亮LED燈，進(jìn)一步證明了在不同溫度下電導(dǎo)率的穩(wěn)定性。
圖4 類共價(jià)氫鍵相互作用對(duì)摩擦電材料抗凍性和保水性的增強(qiáng)
5、柔性S-TENG的傳感性能S-TENG具有類三明治結(jié)構(gòu)，其中水凝膠密封在兩層透明的聚丙烯酸酯（VHB）薄膜之間作為工作電極，并將金屬銅線作為導(dǎo)線用于線路連接。對(duì)S-TENG多次進(jìn)行對(duì)折、彎曲、扭曲及揉搓等復(fù)雜變形，處理前后的電輸出信號(hào)基本保持穩(wěn)定，為在復(fù)雜形變環(huán)境下的應(yīng)用提供了可靠依據(jù)。S-TENG在不同頻率下依然具有穩(wěn)定的摩擦電輸出性能，并通過10000次的循環(huán)實(shí)驗(yàn)證明了它在長時(shí)間工作的穩(wěn)定性。圖5 S-TENG的傳感性能
6、柔性S-TENG的智能應(yīng)用在黑暗等不同場景中，精準(zhǔn)識(shí)別不同物體對(duì)工廠自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)發(fā)展具有重要意義。本研究將柔性S-TENG和機(jī)械抓手集成，以驗(yàn)證柔性TENG與機(jī)械部件聯(lián)合在觸覺感知中的應(yīng)用效果。智能機(jī)械抓手成功實(shí)現(xiàn)對(duì)氟化乙烯丙烯共聚物球、食品包裝和塑料瓶等眾多不同材料的精確識(shí)別。智能抓手產(chǎn)生穩(wěn)定的電信號(hào)連續(xù)輸出波段，有望結(jié)合人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體集的自供電精確識(shí)別，從而用于智能工廠、虛擬商超和智慧醫(yī)院等未來大型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。圖6 柔性S-TENG的智能應(yīng)用
04. 結(jié)論本研究開發(fā)了一種簡單而快速的策略，利用SL-Fe3+自催化系統(tǒng)提供能量，引發(fā)單體原位聚合成PAM鏈，進(jìn)而與Tr形成類共價(jià)氫鍵網(wǎng)絡(luò)，輔以CNF作為凝膠網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)劑，在室溫下可成功制備柔性摩擦電材料。類共價(jià)氫鍵網(wǎng)絡(luò)賦予了摩擦電材料拉伸性（2840%）、抗凍性（-18℃）、抗脫水性（40℃）和粘附性（45.24 kPa）。這些獨(dú)特的性質(zhì)使其能夠組裝成具有摩擦電輸出穩(wěn)定性和耐久性的S-TENG。此外，基于S-TENG的智能機(jī)械抓手具備觸覺感知能力，能夠準(zhǔn)確識(shí)別不同物品，為在人工智能時(shí)代實(shí)現(xiàn)無人工廠和虛擬超市等大型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)提供了設(shè)計(jì)方案。這項(xiàng)研究為導(dǎo)電水凝膠的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了新的見解，并促進(jìn)了可穿戴電子設(shè)備的廣泛使用。原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110215