王中林Adv. Mater.:具有形状记忆功能的柔性摩擦纳米发电机

【引言】

形状记忆聚合物（SMP）是一种具有刺激响应功能的智能材料。对热响应形状记忆聚合物而言，在高于转变温度 (融化温度或者玻璃化转变温度) 对材料进行变形，保持形变降温后可以锁定一个临时形状；当去除外力升温到转变温度以上，由于聚合物熵弹性的驱动，材料又回复到初始的形状。这种独特的性能使得形状记忆聚合物在生物医用器件，柔性机器人，柔性电子器件和航空航天领域都有着广泛的应用。近年来，基于接触起电和静电感应原理的摩擦纳米发电机（TENG）被开发出来用于能量收集器，自驱动的压力、运动和化学等检测传感器。制备具有高拉伸、可变形和形状适应性的功能器件，在柔性机器人和可穿戴/植入式电子设备和健康医疗等许多方面显示出了巨大的应用前景。

【成果简介】

最近，美国佐治亚理工学院的H. Jerry Qi教授与中科院北京纳米能源与系统研究所所长、美国佐治亚理工学院校董教授王中林院士，苏州大学的孙宝全教授合作（共同通讯作者），博士生刘瑞远，博士后匡晓和博士生邓佳楠利用热响应形状记忆聚合物制备了一种可以收集生物机械能和探测生物运动信号的摩擦纳米发电机。通过结合形状记忆材料的独特性能和离子导电液体电极的可流动性，这种摩擦纳米发电机可以随着不同使用要求改变并且维持特定形状。除了能够采集机械能，这种装置还可以作为一种多功能的可穿戴柔性自驱动传感器，该工作展示了功能材料在能量采集器件，自驱动传感器和柔性机器人中的新应用。研究人首先利用一种含有光固化丙烯酸酯和半结晶性热塑性聚己内酯（PCL）的混合物杂化树脂，通过光固化制备一个半互穿聚合物网络的弹性体。在室温下，PCL形成微小的晶体均匀分散在弹性体内部，在材料拉伸时起到抑制微裂纹扩展和提高材料模量与韧性的作用。同时，PCL形成一个物理交联网络，起到形状记忆开关相的作用，赋予材料形状记忆的功能。通过调节形状记忆弹性体中PCL含量，可以得到断裂伸长率达900%，形状固定率近100%，形状回复率达97%的大应变形状记忆弹性体，这显示出了这种材料优异的机械性能与形状记忆性能。进一步在聚合物空腔内部注入离子导电的液体（如氯化钠水溶液），制备出了具有形状记忆功能的单电极TENG器件。通过结合形状记忆弹性体的独特性能和离子导电液体电极的可流动性，这种柔性的TENG表现出高拉伸性能和形状适应性能。该器件在1000 MΩ的匹配电阻下，得到了282 mW/m²的最大输出功率，在手动拍打器件收集能量的情况下可以在180 s内将一个100 μF容量的电容器充到1.5 V，能够用于驱动一个电子手表，并成功应用于缓解腕间隧道综合征的智能夹板上。该研究成果以“Shape Memory Polymers for Body Motion Energy Harvesting and Self-Powered Mechanosensing”为题，发表在近期的Advanced Materials上。

【图文导读】

图1 形状记忆材料的机理和热力学性能

A)形状记忆材料的记忆机理示意图；

B)拉伸强度测试；

C)不同组分PCL制备材料的透光测试；

D)DMA测试；

E)DSC测试。

图2 材料的形状记忆性能测试

A)形状记忆材料受热前的形状照片以及红外热成像照片；

B)形状记忆材料受热后的形状照片以及红外热成像照片；

C)DMA形状记忆测试；

D)R_f和R_r测试。

图3 摩擦纳米发电机的制备和性能测试

A)发电机的器件示意图；

B)接触起电的原理示意图；

C)和不同材料接触以后产生的电压；

D)电压的分布图；

E)使用不同浓度电解质产生的电量；

F)电量的分布图。

图4 纳米发电机输出性能的优化研究

A)不同工作频率下的电量；

B)不同工作频率下的开路电压；

C)不同工作频率下的短路电流密度；

D)不同外接负载下的输出功率变化；

E)不同最大接触距离下的电量和开率电压；

F)短路电流密度和接触频率、最大接触距离的关系。

图5 形状记忆摩擦纳米发电机的拉伸和记忆性能

A)150盏LED灯被点亮；

B)产生的电量用于驱动电子手表；

C)不同拉伸比例下的电量；

D)拉伸的装置图；

E-I)器件的拉伸和弯曲等形状记忆表征。

图6 形状记忆纳米发电机在智能夹板中的应用

A)纳米发电机示意图；

B)制备表面结构的硅胶；

C)改变形状以后的纳米发电机；

D)电压-接触压力关系曲线；

E)探测系统示意图；

F)手腕小的运动幅度不触发警报；

G)手腕大的运动幅度触发警报；

H)手腕不同运动幅度下的电压信号。

【小结】

该研究的最大意义在于，通过智能材料与功能器件的结合，展示了形状记忆等智能材料在能量收集器件，自驱动传感器和柔性机器人中的新应用。这种通过简单的制备即可得到具有多种功能的聚合物，具有成本低廉，容易量产的优点，对于多功能材料的开发与智能器件的制备有着重要的启示作用。

【团队介绍】

王中林，中国科学院外籍院士和欧洲科学院院士，佐治亚理工学院终身校董。佐治亚理工学院终身校董事讲席教授，Hightower终身讲席教授，工学院杰出讲席教授和纳米结构表征中心主任。首位中组部 “千人计划”顶尖千人与团队入选者，教育部长江学者讲座教授。中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家和首任所长。王中林院士的开创性工作荣获了多项国际荣誉：美国显微镜学会 1999年巴顿奖章﹐2009年美国陶瓷学会Purdy奖，2011年美国材料学会奖章(MRS Medal), 2012年美国陶瓷学会Edward OrtonMemorial 奖,2013 ACS Nano 讲座奖，2014年美国物理学会James C. McGroddy 新材料奖，2013中华人民共和国国际科学技术合作奖，2014年佐治亚理工学院杰出教授终身成就奖，2014年NANOSMAT奖，2014年材料领域世界技术奖。王院士是美国物理学会fellow, 美国科学发展协会(AAAS) fellow，美国材料学会 fellow，美国显微学会fellow, 美国陶瓷学会fellow，英国皇家化学学会fellow。2015年9月24日，汤森路透集团（THOMSONREUTERS）发布了2015年度引文桂冠奖（CitationLaureates）获奖名单（诺贝尔奖风向标）。中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家、佐治亚理工学院终身校董事讲席教授王中林院士成为物理学领域获奖人之一，也是该奖项唯一的华人获奖者。今年8月23日至25日在瑞典斯德哥尔摩举行的欧洲先进材料大会上，王中林院士又以在先进材料科学和技术领域所做出杰出的贡献，而荣获2016年度先进材料奖。

王中林院士是国际公认的纳米科技领域领军人物。在一维氧化物纳米结构制备、表征及其在能源技术、电子技术、光电子技术以及生物技术等应用方面均作出了原创性重大贡献。他发明了纳米发电机,并提出了自充电纳米结构系统,为微纳电子系统的发展开辟了新途径。他开创了纳米结构压电电子学和压电光电子学研究的先河，对纳米机器人、人-电界面、纳米传感器、医学诊断及光伏技术的发展具有里程碑意义。已在国际一流刊物上发表超过1400篇期刊论文（其中，《科学》、《自然》、及其子刊40余篇），拥有200项专利，7本专著和20余本编辑书籍和会议文集。他的学术论文已被引用85,000次以上。他论文被引用的H因子(h-index)是160。Nano Energy 的发刊主编和现任主编。

刘瑞远博士（第一作者）、邓佳楠博士（共同一作）等人为佐治亚理工学院王中林院士课题组团队成员。

王中林院士个人成果网址：http://www.nanoscience.gatech.edu/group/Current%20Members/Group%20Leader/Zhong%20Lin%20Wang.php。

王中林院士研究组主页：http://www.binn.cas.cn/ktz/wzlyjz/yjzjjwzl/。

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

本文由王中林院士团队供稿。

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