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香港大學(xué)徐立之/納米能源所蒲雄/東南大學(xué)鞏峰 Nat. Commun.：非對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增強(qiáng)機(jī)械離子效應(yīng)
2024-02-26  來源：高分子科技

  機(jī)電能量轉(zhuǎn)換器件是小型可穿戴或植入式電子系統(tǒng)電源的潛在解決方案。傳統(tǒng)的電磁、壓電等機(jī)電轉(zhuǎn)換技術(shù)盡管各有優(yōu)勢(shì)，但都難以使用軟體材料在低頻率機(jī)械激勵(lì)下達(dá)到高的電學(xué)輸出。然而，人體或生物系統(tǒng)是富水的軟體材料環(huán)境， 且生理活動(dòng)的大多數(shù)生物機(jī)械能是低頻和低速的。對(duì)于一些重要的電刺激生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，如肌肉電刺激和骨再生刺激等，也需要高電流的電學(xué)刺激。因此，開發(fā)高生物相容性、高輸出電流的低頻軟材料機(jī)電轉(zhuǎn)換技術(shù)仍是一大挑戰(zhàn)。


  近期，香港大學(xué)徐立之教授聯(lián)合納米能源所蒲雄研究員和東南大學(xué)鞏峰教授報(bào)道了一種新型的具有高電流輸出、低內(nèi)阻、高電荷轉(zhuǎn)移量的柔性水凝膠發(fā)電機(jī)。該工作以活化后的碳布作為工作電極，未經(jīng)處理的原始碳布為對(duì)電極，中間是金字塔形狀的含有氯化鋰鹽溶液的PVA水凝膠。在壓縮應(yīng)變下，水凝膠中的金字塔結(jié)構(gòu)引起凝膠內(nèi)的變形梯度，水分子和離子在形變梯度方向發(fā)生遷移，由于陰陽離子遷移速率的差異，產(chǎn)生凈離子流；同時(shí)，兩電極表面對(duì)陰陽離子具有不對(duì)稱的離子吸附特性，進(jìn)一步放大了陰陽離子在壓縮變形時(shí)的遷移差異，提高了凈離子電流，最終實(shí)現(xiàn)了電流輸出的大幅提升。在0.1 Hz的循環(huán)壓縮下，短路電流可以達(dá)到4 mA，轉(zhuǎn)移電荷量高達(dá)916 mC m-2，超過之前的報(bào)道。這種小型柔性水凝膠器件的高電流輸出可以直接用于電刺激生物應(yīng)用，例如展示了一個(gè)用于傷口愈合的控制藥物釋放系統(tǒng)。相關(guān)工作以“A high-current hydrogel generator with engineered mechanoionic asymmetry”為題發(fā)表在《Nature Communications》，第一作者為劉紅震博士，通訊作者為香港大學(xué)徐立之教授，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所蒲雄研究員和東南大學(xué)鞏峰教授。


圖1. a，器件示意圖，比例尺為1厘米。b，機(jī)理解釋：活化的碳布在接觸到含有氯化鋰的水凝膠后，可以吸附鋰離子；接著，在應(yīng)力作用下陰離子和陽離子都趨向于向小應(yīng)變區(qū)域轉(zhuǎn)移。由于活化后的碳布吸附了大量的鋰離子，轉(zhuǎn)移的氯離子數(shù)量多于鋰離子數(shù)量，因而在水凝膠內(nèi)部形成了定向凈電荷流。c，金字塔結(jié)構(gòu)的水凝膠在外部壓力作用下變形后的COMSOL模擬。d，碳布活化前后的XPS圖。e，器件施加壓力后，對(duì)應(yīng)的短路電流和開路電壓。f，功率密度和輸出電流隨外部負(fù)載變化圖。 


圖2. a，使用不同的電極后電流輸出對(duì)比圖。b，碳布活化時(shí)間和輸出電流的關(guān)系。c，未活化碳布和活化碳布進(jìn)行鋰離子吸附時(shí)的電荷分布圖。d，不同體系對(duì)應(yīng)的吸附能計(jì)算結(jié)果。e，在活化碳布表面進(jìn)行PEI修飾和移除的示意圖。f，在PEI修飾和移除過程中，將不同階段的活化碳布作為電極時(shí)的輸出電流。g，在PEI修飾和移除過程中不同階段的活化碳布電極的紅外表征結(jié)果。 


圖3. a，輸出電流和氯化鋰濃度的關(guān)系。b，輸出電流和恢復(fù)時(shí)間的關(guān)系。c，輸出電流和應(yīng)變速率的關(guān)系。d，用發(fā)電機(jī)給2F的電容器充電。e，器件的循環(huán)性能測(cè)試。f，本文中水凝膠發(fā)電機(jī)和其他先進(jìn)的機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換裝置對(duì)比圖。g，水凝膠發(fā)電機(jī)和摩擦發(fā)電機(jī)，電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)的輸出電流和外部機(jī)械刺激頻率的關(guān)系。 


圖4. a，在有機(jī)械刺激（藍(lán)色區(qū)域）和無機(jī)械刺激時(shí)，水凝膠發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電控藥物釋放系統(tǒng)時(shí)藥物濃度變化圖。b，自供電抗菌貼片的結(jié)構(gòu)示意圖。c，普通創(chuàng)可貼（上部）和自供電抗菌貼片（下部）對(duì)傷口愈合過程的促進(jìn)效果照片，比例尺5mm。d，傷口愈合過程的面積相對(duì)變化。


  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45931-7

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