近年來,隨著現代微電子技術的廣泛發展,可伸縮、人性化的電子器件越來越受到人們的關注。基於摩擦帶電和靜電感應耦合的摩擦電納米發電機(TENG)是一種能將周圍環境中的機械能轉化為電能的能源科技。由於其能量轉換效率高、成本低、可使用多種資料,TENG已被廣泛應用於各個領域,如可穿戴電子設備、物聯網、環境感測器、微型感測器和和基於皮膚的醫療之中。囙此,下一代TENG將會是富有彈性並且具有生物相容性的設備。另外,由於磨損和不可預知的損傷,摩擦電納米發電機(TENG)的工作壽命在很大程度上受到限制。
為此,王中林教授團隊製備了一種單電極多功能TENG(MF-TENG),它具有快速自癒合、人體健康監測能力和光熱效能。該裝置由夾在兩個自愈合矽橡膠薄膜之間的一種基於聚乙烯醇的薄層自愈合水凝膠組成。MF-TENG的短路電流為7.98μA,短路轉移電荷為78.34nC,開路電壓為38.57V。此外,由於電荷層中的動態亞胺鍵和電極中的硼酸酯鍵形成了可修復的網絡,在室溫下,該器件在機械損傷後10min內就能恢復到原來的狀態。MF-TENG可以安裝在不同的人體關節上,用於自我監測個人健康資訊。此外,在近紅外雷射照射下的MF-TENG可以為輔助人體關節運動的恢復提供一種光熱療法。據設想,本文的MF-TENG可以應用於可穿戴電子設備和健康監測設備領域。相關工作以題為“Self-Healing and Elastic Triboelectric Nanogenerators for Muscle Motion Monitoring and Photothermal Treatment”的研究性論文發表在《ACS Nano》。
MF-TENG的製備過程
本文以聚乙烯醇(PVA)為凝膠基質,加入硼酸鈉和導電的PDA-CNTs,製備了PDA-CNTs/PVA自愈合水凝膠。PDA-CNTs/PVA水凝膠的詳細製備過程如圖1a所示。碳納米管可以確定相對電阻的變化,並提供MF-TENG的光熱效應。由於PVA和CNTs之間的表面能差异很大,CNTs通常會自發聚集在PVA基體中形成聚集體,這會破壞MF-TENG的柔韌性。囙此,利用貽貝黏附蛋白的主要成分多巴胺(DA)對碳納米管進行表面修飾,以改善PVA與碳納米管之間的介面相容性。如圖1b所示,在弱鹼性環境中,DA可以自發氧化和聚合,在碳納米管表面形成PDA網絡。
圖1.MF-TENG的圖解和表徵
MF-TENG的基本工作機制和電輸出效能
本文所製備的MF-TENG在摩擦帶電和靜電感應的耦合作用下以單電極模式工作(圖2a)。其工作機制如下:
·當MF-TENG接觸皮膚時,接觸介面會發生帶電,並產生大量極性相反的電荷(圖2a(i))。
·當皮膚與MF-TENG分離時,PDA-CNTs/PVA水凝膠中會產生正電荷,而PDA-CNTs/PVA水凝膠位於MF-TENG內部(圖2a(ii))。
·當皮膚和MF-TENG完全分離時,水凝膠中的正電荷和矽橡膠層中的負電荷是平衡的;囙此,外部電路中沒有電子流動(圖2a(iii))。
·當皮膚再次移動時,電子通過外部電路從地面流向電極,產生相反方向的電信號(圖2a(iv))。
另一方面,如圖2b(i)和(ii)所示,原始和自愈MF-TENG的相應VOC值分別為38.57V和37.17V。此外,原始和自愈MF-TENG的ISC峰值分別為7.98和6.28μA。圖2C顯示了MF-TENG在可穿戴科技領域的應用。電子資料手套結合了五個MF-TENG,它們連接到不同的人類手指上,可以檢測人類的手勢。
圖2。(a)單電極模式下MF-TENG工作機理示意圖。(b)(i)原始MF-TENG和(ii)自愈MF-TENG的開路電壓;(c)通過MF-TENG構成的五個通道採集的手指彎曲的實时響應。
MF-TENG在人體中的應用
為了進一步探索MF-TENG在現實生活中的應用,本文將所製備的裝置安裝在人體的肘關節、膝蓋和手腕關節上(圖3a)。可以看出,MF-TENG可以附著在這些關節上,並改變其變形以適應關節的運動。本文量測了三個人體關節(即手腕、肘關節和膝關節)在不同彎曲角度下的相對電阻變化(即ΔR/R0=(Rm−R0)/R0,其中Rm和R0分別對應量測過程中的實时電阻和初始電阻),以評估MF-TENG的使用狀況。此外,MF-TENG還可以用來將人體關節運動中收集到的機械能轉化為電能,並輸出相應的電信號。圖3c顯示了原始MF-TENG和自愈MF-TENG在最終彎曲角度下的腕關節、肘關節和膝關節運動的Voc值。結果顯示兩種TENG都具有相對較高的穩定性。
圖3.人體大規模運動時,MF-TENG在人體不同關節的應用。
利用MF-TENG的光熱效應進行治療
基體中的PDA-CNTs不僅能提高PDA-CNTs/PVA水凝膠的機械強度,而且還能起到提高MF-TENG溫度的光熱轉換劑的作用。當近紅外雷射照射時,溫度升高有利於加速微循環血流,減輕損傷區域的疼痛(圖4a)。從圖4b可以看出,在808 nm雷射(1W/cm2)照射下,PDA-CNTs/PVA水凝膠的溫度在5分鐘內從25°C上升到62°C。但在相同條件下,MF-TENG的升溫速率低於PDA-CNTs/PVA水凝膠,這是由於PDA-CNTs/PVA水凝膠外層的自愈性有機矽彈性體導熱效能較差所致。相比之下,較低的加熱速率有利於避免在短時間內燒傷傷口周圍的皮膚(圖4c)。
圖4.(a)光熱處理類比圖;(b)(ii)純PVA,(ii)CNTs/PVA水凝膠,(iii)PDA-CNTs/PVA水凝膠,(iv)MF-TENG在功率密度為1W/cm2的近紅外雷射照射下的光熱曲線。
小結:本文將PDA-CNTs/PVA薄層導電自愈合水凝膠夾在兩層有機矽可癒合彈性體膜之間,成功地製備了一種自愈性和彈性的MF-TENG。在自愈合的PDA-CNTs/PVA水凝膠中,硼酸鈉提供了可逆的癒合功能,而PDA-CNTs則賦予了它高的電導率和光熱效能。此外,PDA-CNTs/PVA水凝膠具有良好的力學性能,最大拉伸應變為450%。這種MF-TENG可以很容易地定制並穿戴在人體不同關節上的設備中,以收集健康資訊,並且這些資訊可以通過比較電輸出效能來確定關節的恢復狀態。值得一提的是,在近紅外雷射照射下,MF-TENG的溫度可以在5分鐘內從25°C逐漸上升到60°C,這可以提供一種光熱療法。由於其優异的自愈合效能、監測人體關節健康的能力以及優异的光熱效能,該MF-TENG可廣泛應用於健康和運動監視器、軟機器人和可穿戴電子產品中。
全文連結:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c04384
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