北京科技大學Adv. Funct. Mater：電磁屏蔽復合納米發電機助力人體健康監測和保護

【引言】

隨著電子器件的發展和大眾化，人類將面對日益增加的能源危機和電磁輻射的污染。為實現電子器件的可穿戴和便攜，傳統的電池暴露了許多問題。可以從我們生活環境收集能量的納米發電機可以解決電子器件的供能問題。尤其，成本低廉的摩擦納米發電機（TENG），在低頻和無規律的能量收集方面展現了巨大的優勢。然而，TENG輸出的功率不足以驅動大部分電子器件。因此，將TENG和其他納米發電機集成的復合納米發電機（HNGs）可以解決低輸出的問題。作為HNGs中重要的一部分熱釋電-壓電納米發電機（PPENG）可以收集熱能和環境中的機械能。與此同時，HNG還可以作為自驅動監測器。另一方面，電磁輻射對人類健康有著重要的威脅。然而，大多數傳統的屏蔽電磁輻射設備在GHz范圍不能很好的工作。但發明一種抗電磁輻射的可穿戴、便攜式電子設備可以解決該問題。為此，研究人員發明了一種可拉伸、便攜且可穿戴的電磁屏蔽HNG。

【成果簡介】

近日，北京科技大學材料科學與工程學院張躍教授和廖慶亮教授（共同通訊作者）研究小組發明了一種可拉伸的電磁屏蔽復合納米發電機（ES-HNG）。基于摩擦起電、壓電和熱釋電效應的納米發電機不僅可以收集環境中的熱能和機械能而且還可以監測和保護人體健康。通過拍打由ES-HNG制成的鍵盤膜，可以在200s將電容充至3V；并且可以屏蔽99.9978%的電磁波(0~15GHz)。該研究成果以“Electromagnetic Shielding Hybrid Nanogenerator for Health Monitoring and Protection”為題發表在Adv. Funct. Mater上。

【圖文導讀】

圖1. ES-HNG的結構示意圖和機械性能

（a）ES-HNG的結構示意圖，插圖是TENG的圖片；

（b）導電電磁輻射紡織品的SEM；

（c）在不同拉伸應變下的ES-TENG，比例尺為3cm；

（d、e）ES-TENG在不同拉伸應變下的輸出電流和轉移電荷。

圖2. ES-HNG的電學性能表征

（a）? PPENG部分在受力下，輸出電流和相應的溫度變化；

（b）? TENG部分在受力下，輸出電流和相應的溫度變化；

（c）? ES-HNG在受力下，輸出電流和相應的溫度變化；

（d）? 在施加不同的力下，ES-HNG的輸出電流和開路電壓；

（e） 在不同頻率下，ES-HNG的輸出電流；

（f）在彎曲和未彎曲狀態下，ES-HNG的輸出電流，插圖是相應的發電機照片。

圖3. ES-HNG作為鍵盤膜的輸出性能

（a）? 手指觸摸所制鍵盤膜時的溫度變化；

（b）? 鍵盤膜TENG部分的輸出電流；

（c）? 整個ES-HNG鍵盤膜的輸出電流；

（d）? 鍵盤膜基電路系統的電路圖；

（e）? 鍵盤膜給電容充電曲線，插圖是充電電容點亮LED；

（f）在不同頻率下，ES-HNG基鍵盤膜給電容充電的開路電壓曲線。

圖4. ES-HNG在電磁屏蔽方面的應用

（a）? ES-HNG基鍵盤膜在示意圖；

（b）? ES-HNG基鍵盤膜的電磁屏蔽機理；

（c、d）? 在使用和未使用ES-HNG基鍵盤膜時的電磁輻射。

圖5. ES-HNG在健康檢測和保護方面的應用

（a）? ES-HNG使用不同網孔數量AEMF的電磁屏蔽效應；

（b）? ES-HNG使用不同網孔數量AEMF的平均SE和應變變化；

電流對腹式呼吸的響應：（c）頻率的影響，(d) 呼吸程度的影響；插圖是ES-HNG腹部呼氣、吸氣時的照片。

【小結】

研究人員將TENG和PPENG成功集成為ES-TENG。由ES-TENG制成的鍵盤膜可以收集機械能和熱能；相比TENG，該納米發電機的輸出提高了3倍。該鍵盤膜可以成功屏蔽電腦的電磁輻射，保護長期暴露在電腦電磁輻射下的人。同時，該發電機還可以作為腹部運動傳感器，來檢測人體的健康狀態。這為未來能量收集和人體健康監測提供了很好的途徑。

文獻鏈接：Electromagnetic Shielding Hybrid Nanogenerator for Health Monitoring and Protection（Adv. Funct. Mater，2017，DOI: 10.1002/adfm.201703801）

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