3D打印摩擦納米發(fā)電機，有了它再也不用擔心可穿戴設備沒電了！

近日，東華大學材料科學與工程學院游正偉教授-俞昊教授合作團隊在納米摩擦發(fā)電機領域取得重要進展，相關研究成果以《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)表于國際材料學著名期刊《Advanced Functional Materials》。東華大學材料學院博士生陳碩，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）是由佐治亞理工學院王中林院士于近年提出的將環(huán)境機械能高效轉化為電能的技術。這種新興的技術為利用生物機械能構建自驅動可穿戴電子設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，較難構筑不規(guī)則形狀，限制了其應用。

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（Mater.Horiz.,2018,DOI:10.1039/C8MH00937F），構筑了具有三維立體多孔結構的納米摩擦發(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）分散其中構成導電網(wǎng)絡和另外一種摩擦材料。制備中以PGS預聚物、CNTs和鹽粒為打印墨水。其中鹽粒是關鍵，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構，每個微孔相當于一個納米摩擦發(fā)電機。

當被擠壓時，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)生電荷轉移。由于3DP-TENG是彈性的，因此外力撤去時，微孔恢復原狀，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，加上外導線就構成了電流。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)境友好型的電子設備�；�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，在可穿戴設備上具有廣闊的應用前景。該工作獲得了國家自然科學基金和上海市自然科學基金等項目資助。

來源：東華大學