3D打印摩擦納米發(fā)電機，有了它再也不用擔(dān)心可穿戴設(shè)備沒電了！

近日，東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院游正偉教授-俞昊教授合作團隊在納米摩擦發(fā)電機領(lǐng)域取得重要進展，相關(guān)研究成果以《3D打印一體定制彈性可持續(xù)的面向可穿戴電子設(shè)備的納米摩擦發(fā)電機》為題，作為封底發(fā)表于國際材料學(xué)著名期刊《Advanced Functional Materials》。東華大學(xué)材料學(xué)院博士生陳碩，博士后黃濤系共同第一作者，游正偉教授為通訊作者。該工作電學(xué)性能測試與俞昊教授團隊合作完成。同時得到了莫秀梅教授、吳琪琳教授、何創(chuàng)龍教授和朱波教授的大力支持。

納米摩擦發(fā)電機（TENG）是由佐治亞理工學(xué)院王中林院士于近年提出的將環(huán)境機械能高效轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。這種新興的技術(shù)為利用生物機械能構(gòu)建自驅(qū)動可穿戴電子設(shè)備提供了一種全新的解決方案。但是目前TENG的通常需要各部分分別制備然后組裝，較難構(gòu)筑不規(guī)則形狀，限制了其應(yīng)用。

為了解決這一難題，游正偉教授團隊基于新近發(fā)展的熱固性材料3D打印新技術(shù)（Mater.Horiz.,2018,DOI:10.1039/C8MH00937F），構(gòu)筑了具有三維立體多孔結(jié)構(gòu)的納米摩擦發(fā)電機（3DP-TENG）。該3DP-TENG利用聚癸二酸甘油酯（PGS）為熱固性彈性基材和一種摩擦材料，碳納米管（CNTs）分散其中構(gòu)成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和另外一種摩擦材料。制備中以PGS預(yù)聚物、CNTs和鹽粒為打印墨水。其中鹽粒是關(guān)鍵，作為增強劑保證打印固化成型，同時作為致孔劑獲得了多孔結(jié)構(gòu)，每個微孔相當(dāng)于一個納米摩擦發(fā)電機。

當(dāng)被擠壓時，微孔上下管壁接觸，PGS和CNTs之間由于對電子束縛能力的不一樣，在接觸時二者間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。由于3DP-TENG是彈性的，因此外力撤去時，微孔恢復(fù)原狀，電荷被分離在上下管壁的PGS和CNTs中，從而在CNT與大地之間產(chǎn)生電勢差，加上外導(dǎo)線就構(gòu)成了電流。大量的微孔協(xié)同工作，從而獲得了良好的摩擦發(fā)電效能

由于是3D打印一體成型，3DP-TENG可以根據(jù)需要方便地定制。研究團隊依人體工學(xué)打印了三維鞋墊，穿上步行時可以有效點亮LED燈和對電子表進行充電。而3D打印的“指環(huán)”狀器件則可以根據(jù)輸出的電信號，方便地監(jiān)控手指的彎曲，感知彎曲的頻率和角度。

該工作還有一個突出的亮點是該3DP-TENG是一個全生命周期環(huán)境友好型的電子設(shè)備。基體材料聚合物PGS由生物基的癸二酸和甘油縮聚而得，利用增材制造構(gòu)筑，原材料得到充分利用；PGS具有良好的生物降解性能，使用后可以完全降解為生物相容的癸二酸和甘油，CNTs則可以方便地回收再利用，性能保持不變。

該項研究發(fā)展了一種新穎的策略，實現(xiàn)了納米摩擦發(fā)電機的3D打印一體成型。可以根據(jù)需要打印各種形狀，在可穿戴設(shè)備上具有廣闊的應(yīng)用前景。該工作獲得了國家自然科學(xué)基金和上海市自然科學(xué)基金等項目資助。

來源：東華大學(xué)