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燕大馬金銘/焦體峰教授、納米能源所曹霞教授 Matter：一種基于光熱效應(yīng)的透明柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)用于防偽
2023-04-02  來源：高分子科技

  柔性/可穿戴電子設(shè)備具有良好的靈活性、便攜性和生物相容性，在健康監(jiān)測(cè)、電子皮膚、人機(jī)交互、傳感器等領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用前景。水凝膠/離子凝膠基柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)能夠?yàn)槿嵝?/span>/可穿戴電子設(shè)備提供可形變的電源，有望拓寬此類設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域。凝膠類電極還具有廣泛且可調(diào)的結(jié)構(gòu)與性能，可構(gòu)筑智能材料，促進(jìn)信息加密/解密技術(shù)的發(fā)展。黑磷（BP）是一種新興的二維納米材料具有優(yōu)異的生物相容性和光熱性能，目前廣泛應(yīng)用于光熱治療，但在防偽和保密通信等信息安全領(lǐng)域尚未見報(bào)道。


  有鑒于此，燕山大學(xué)青年教師馬金銘/焦體峰教授、中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所曹霞教授，構(gòu)筑了一種具有優(yōu)異光熱性能的透明多功能復(fù)合水凝膠基摩擦納米發(fā)電機(jī)（Hy-TENG），不僅能夠收集人體運(yùn)動(dòng)機(jī)械能還可以實(shí)現(xiàn)信息防偽和保密通信。所制備的聚丙烯酰胺-瓊脂糖-硼砂-單寧酸修飾黑磷（PAM-agar-Na2B4O7-TABP）復(fù)合水凝膠電極，具有良好的導(dǎo)電（0.574 S/m）、拉伸性能（>1000%）和透光率；TABP的光熱特性，紅外光（IR）可以靈活調(diào)控Hy-TENG的溫度，觸發(fā)打印在A4紙上的感溫油墨發(fā)生顏色變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息防偽和保密通信。相關(guān)成果以標(biāo)題為“A transparent, flexible triboelectric nanogenerator for anti-counterfeiting based on photothermal effect”（DOI：10.1016/j.matt.2023.02.013）發(fā)表在國(guó)際著名期刊《Matter》上。燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院博士研究生王冉為論文第一作者。此研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和河北省自然科學(xué)基金等資助支持。


圖 1 PAM基水凝膠的制備流程


  通過簡(jiǎn)單的方法制備了PAM-agar-Na2B4O7-TABP復(fù)合水凝膠，其中AM單體聚合形成化學(xué)網(wǎng)絡(luò)，agar與Na2B4O7之間形成硼酸酯鍵，agar和TA中存在的大量的羥基基團(tuán)傾向于形成氫鍵。所制備的復(fù)合水凝膠具有良好的生物相容性、透明度、導(dǎo)電性和拉伸性，可應(yīng)用于電子皮膚和可穿戴電子設(shè)備等領(lǐng)域。 


圖2 Hy-TENG的電輸出性能


  利用PAM-agar-Na2B4O7-TABP水凝膠和金字塔結(jié)構(gòu)化的聚二甲基硅氧烷（PDMS）構(gòu)建的單電極柔性Hy-TENG，具有良好的電輸出性能，功率密度為149.8 mW?m-2，能夠驅(qū)動(dòng)小型電子設(shè)備。由于BP的光熱特性，還探究了不同TABP含量的Hy-TENG在不同IR照射時(shí)間下的輸出電壓變化，這種變化與BP的電子捕獲能力和電子轉(zhuǎn)移有關(guān)。此外，Hy-TENG具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，在經(jīng)過30 min的IR照射后仍能保持一定的電輸出性能，這為TENG在高溫環(huán)境中的潛在應(yīng)用提供了保證。 


圖 3 Hy-TENG的保密通信和防偽應(yīng)用。


  通過結(jié)合多功能打印機(jī)和感溫油墨探究了Hy-TENG用于保密通信和防偽的可行性。感溫油墨的顏色受環(huán)境溫度的影響，當(dāng)溫度達(dá)到墨水的可逆變色溫度時(shí)，油墨的顏色會(huì)變淺甚至無色。采用多功能打印機(jī)打印防偽圖案，高溫油墨打印正確信息部分，低溫油墨打印虛假信息部分。由于TABP具有光熱特性，當(dāng)Hy-TENG受到IR照射后溫度升高，低溫油墨打印的信息消失，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度敏感圖案的解密。而且感溫油墨的顏色變化是可逆的，一旦IR光移開，低溫油墨重新顯示，信息被重新加密。


  通過簡(jiǎn)單的策略制備了一種柔性、透明、具有光熱效應(yīng)的PAM-agar-Na2B4O7-TABP導(dǎo)電復(fù)合水凝膠，其作為柔性電極組成的Hy-TENG表現(xiàn)出高的功率密度（149.8 mW m-2），可以收集機(jī)械能并驅(qū)動(dòng)小型電子設(shè)備。此外，結(jié)合BP的光熱特性和多功能打印技術(shù)，研究了IR光誘導(dǎo)Hy-TENG升溫引起的感溫油墨的可逆顏色變化，從而完成信息的加密和解密，實(shí)現(xiàn)了BP在保密通信和防偽方面的探索。這項(xiàng)工作為多功能電子器件的設(shè)計(jì)和開發(fā)BP在防偽和保密通信等新領(lǐng)域的潛在應(yīng)用提供了新思路。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.02.013

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（責(zé)任編輯：xu）
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