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科學要聞
透明、可拉伸的仿皮膚式摩擦納米發電機研制成功

近年來,隨著柔性晶體管/集成電路、可拉伸光電器件、可折疊顯示屏和電子皮膚等各種革命性功能產品的大量涌現,柔性/可拉伸電子產品取得了飛速的發展。這些產品對其供能設備則提出了更高的要求,希望其具有相當的柔韌性和可拉伸性。然而,鮮有能源器件可以同時實現柔韌性、高透明度和可拉伸性。另外,市場不斷增長的可穿戴電子產品和植入式電子產品,要求其供能設備除柔韌性和可拉伸性之外,也需要同時具有良好的生物兼容性。

常規的電磁式發電機很難實現可拉伸性,而近來快速發展的摩擦納米發電機(TENG)則可滿足柔性電子設備的上述需求。近來報道的可拉伸摩擦納米發電機主要是采用碳納米管,石墨烯,銀納米線等導電網絡增強的彈性體聚合物。但是,這種材料的可拉伸性有限、且難以實現高透光度。相比之下,由親水聚合物網絡與水或離子水溶液構成的水凝膠可同時實現透明、柔軟、生物相容性和可拉伸性能,是開發柔性摩擦納米發電機的理想材料。

在中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林和胡衛國的共同指導下,北京納米能源所蒲雄等研究人員,將彈性體和離子水凝膠相結合,研制出了一種全新的仿皮膚式納米摩擦發電機(STENG),該器件首次實現兼具高透明度(平均透光率,可見光96.2%)和超高可拉伸性(單軸應變,1160%),同時能夠實現生物機械能收集、觸覺感知等功能。該工作為透明、可拉伸能源設備和柔性電子皮膚的研究提供了一個全新的視角,研究成果發表在近期的《科學進展》(Science Advances,DOI:10.1126/sciadv.1700015)上。

此STENG能夠產生高達145伏的開路電壓,瞬時功率密度為35毫瓦/平方米。STENG具有廣闊的市場前景,由于材料選用的是生物兼容性好的水凝膠,它可以直接粘附在人體的皮膚上,驅動許多可穿戴電子產品,如LED、電子手表等。該研究首次提出了一種具有超高可拉伸性和透明度的STENG,由于透明度高不會干擾光學信息的傳遞,同時兼具能量收集和觸摸感知,因此在智能人造皮膚、自驅動軟體機器人、柔性顯示屏和可穿戴電子設備中有潛在的應用價值。


圖:透明、可拉伸STENG的結構示意圖
(a)、實物照片(b)和具有觸覺感知功能的STENG陣列式電子皮膚(c)。


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