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香港大學(xué)徐立之團(tuán)隊(duì) JMCA：兼顧高機(jī)械強(qiáng)度及溫和修復(fù)條件的高魯棒性摩擦納米發(fā)電機(jī)
2023-08-24  來(lái)源：高分子科技

  摩擦納米發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中需頻繁遭受機(jī)械力沖擊及破壞，這對(duì)器件的耐久性及魯棒性提出了挑戰(zhàn)。解決方法之一是使用自修復(fù)高分子構(gòu)筑具有損傷自愈能力的納米發(fā)電機(jī)。然而，多數(shù)自修復(fù)納米發(fā)電機(jī)無(wú)法兼顧修復(fù)性能和本體強(qiáng)度。一般來(lái)說(shuō)，基于自發(fā)型自修復(fù)高分子的器件無(wú)需額外刺激即可實(shí)現(xiàn)損傷修復(fù)，但其較差的本體強(qiáng)度卻導(dǎo)致了器件的耐沖擊性和壽命降低。相比之下，基于觸發(fā)型自修復(fù)高分子的器件常呈現(xiàn)出更優(yōu)秀的機(jī)械性能，但其修復(fù)過(guò)程需要外界刺激的觸發(fā)。目前常用的修復(fù)刺激，如熱、紅外、紫外等在納米發(fā)電機(jī)的多數(shù)使用場(chǎng)景中并不方便獲得。另外，出于安全考慮，上述刺激也不適用于可穿戴納米發(fā)電機(jī)的原位修復(fù)。因此，發(fā)展兼顧高機(jī)械強(qiáng)度及溫和自修復(fù)條件的納米發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)器件便捷安全的自修復(fù)具有重要的實(shí)用意義。


  香港大學(xué)機(jī)械工程系徐立之團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種能在溫和及易得的刺激條件下進(jìn)行損傷修復(fù)的高強(qiáng)度摩擦納米發(fā)電機(jī)。文章首先制備了一種包含Ca2+-鄰苯二酚配位作用的聚氨酯脲，并將其命名為T(mén)HP。THP的拉伸強(qiáng)度為11.6 MPa，并可通過(guò)改變鈣離子含量對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)(5-19 MPa)，該強(qiáng)度優(yōu)于大部分已報(bào)道的自修復(fù)納米發(fā)電機(jī)的構(gòu)筑材料。此外，THP 能利用生活中隨處可見(jiàn)的水或酒類飲料的觸發(fā)進(jìn)行損傷修復(fù)，修復(fù)效率約為90%。文章進(jìn)一步基于THP構(gòu)筑了自修復(fù)摩擦納米發(fā)電機(jī)（THP-TENG）,修復(fù)過(guò)后的器件輸出性能與損傷前的性能相當(dāng)。對(duì)修復(fù)后的器件進(jìn)行 8000次的循環(huán)測(cè)試后，其輸出性能仍保持穩(wěn)定。整個(gè)器件的修復(fù)過(guò)程類似于用創(chuàng)可貼處理傷口，具有溫和、安全及便捷的特點(diǎn)。此外，對(duì)于損壞嚴(yán)重的器件，可通過(guò)溶液法對(duì)其進(jìn)行回收再利用；赥HP-TENG,文章隨后制備了一種可同時(shí)監(jiān)測(cè)觸覺(jué)信號(hào)及肌電信號(hào)的傳感器并探索其在可穿戴電子中的應(yīng)用。


圖1.THP的機(jī)械性能及自修復(fù)性能。a)不同鈣離子添加量的THP樣品的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。b）不同修復(fù)條件下THP的修復(fù)率。c）THP與其它已報(bào)道的自修復(fù)TENG構(gòu)筑材料的修復(fù)率及拉伸強(qiáng)度對(duì)比。 


圖2.THP-TENG的自修復(fù)及可回收性能。a)THP-TENG的運(yùn)行機(jī)理。b）THP-TENG的器件修復(fù)過(guò)程。c）THP-TENG的輸出性能修復(fù)。d)修復(fù)后的THP-TENG的運(yùn)行穩(wěn)定性。e）THP-TENG的循環(huán)回收過(guò)程。 


圖3.THP-TENG對(duì)觸覺(jué)及電生理信號(hào)的感知性能。a)THP-TENG基傳感器的器件結(jié)構(gòu)。b）粘貼在前臂內(nèi)側(cè)的THP-TENG基傳感器。c）手指在器件表面滑動(dòng)時(shí)傳感器內(nèi)不同電極產(chǎn)生的摩擦電信號(hào)。d)三種不同手勢(shì)下貼于前臂內(nèi)側(cè)和外側(cè)的兩傳感器監(jiān)測(cè)到的肌電信號(hào)。


  這項(xiàng)研究以“Robust and durable triboelectric nanogenerators enabled by mechanically strong and mildly healable polymer”為題發(fā)表在 《Journal of Materials Chemistry A》上。香港大學(xué)機(jī)械工程系助理教授徐立之為論文通訊作者，博士后徐偉為論文第一作者（目前就職于之江實(shí)驗(yàn)室），參與該論文的還有博士生劉紅震及何慧敏。該研究得到了香港理工大學(xué)郝建華教授及黃文聰博士的合作支持。


  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ta/d3ta02340k

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