佐治亚理工学院王中林院士Adv. Mater.: 具有自修复功能的柔性摩擦纳米发电机

【引言】

功能聚合物是一类具有特定功能的高分子材料，被广泛用在传感装置和触发装置中。自修复材料利用高分子的流动性，可以在光照或者加热等外界条件下实现自身的修复过程。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、可变形和自修复性能的功能器件，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校董教授王中林院士与H. Jerry Qi教授课题组合作，博士生邓佳楠，博士后匡晓和博士生刘瑞远利用新型塑料vitrimer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（VTENG）。通过将导电银纳米线网络嵌入到基于热动力双硫键骨架的vitrimer聚合物中，该装置实现了能量收集，信号传感和自修复的独特性能。器件的损伤可以通过结构中的动态化学键在热刺激下得到快速修复，同时也能够实现小面积器件到大面积器件的拼接以及二维到三维的折叠转化。实验不仅展示了VTENG作为柔性、可自修复的压力传感器和生物机械能收集装置，也实现了输出性能随着器件拼接规模增加而增长。与其他类型的柔性发电装置相比，这种器件又具有更长的使用寿命和设计兼容性，是功能聚合物在柔性电子器件中的有效应用。该研究成果以 Vitrimer Elastomer-Based Jigsaw Puzzle-Like Healable Triboelectric Nanogenerator for Self-Powered Wearable Electronics为题，发表在近期的Advanced Materials上 (DOI: 10.1002/adma.201705918)。

【图文导读】

图1 材料设计和自修复性能表征

图2 VTENG的制备过程和基本电学输出性能

图3 VTENG在应力下的输出性能

图4 VTENG的破坏和自修复研究

图5 VTENG的模块化组装和应用展示

图6 VTENG从2D变成3D之后的表征

【小结】

该研究利用vitrimer材料和导电银纳米线网络制备了一种可以自修复、柔性、可折叠的能量收集装置和传感器。由于热动力双硫键反应的存在，这种装置具有了一系列突出的优点，例如优异的耐拉伸能力，非常好的表面适应性能和快速修复的特点。在自修复完成以后，装置的能量收集能力也可以得到恢复。通过利用这种性能，可以实现多个器件拼接组装形成更大尺寸器件的功能，并且能够集成更多类型的功能器件于一体，体现了功能聚合物在柔性电子器件中的巨大应用前景。

文献链接：Vitrimer Elastomer-Based Jigsaw Puzzle-Like Healable Triboelectric Nanogenerator for Self-Powered Wearable Electronics(Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201705918)

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

【团队介绍】

王中林院士：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。附：王中林院士个人成果网址与王中林院士研究组主页。

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

本文由美国佐治亚理工学院王中林院士研究组供稿，材料牛整理编辑。

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