佐治亞理工學院王中林院士Adv. Mater.: 具有自修復功能的柔性摩擦納米發電機

【引言】

功能聚合物是一類具有特定功能的高分子材料，被廣泛用在傳感裝置和觸發裝置中。自修復材料利用高分子的流動性，可以在光照或者加熱等外界條件下實現自身的修復過程。近年來，基于接觸起電和靜電感應原理的摩擦納米發電機（TENG）被開發出來用于能量收集器，自驅動的壓力、運動和化學等檢測傳感器。制備具有高拉伸、可變形和自修復性能的功能器件，在柔性機器人和可穿戴/植入式電子設備和健康醫療等許多方面顯示出了巨大的應用前景。

【成果簡介】

最近，美國佐治亞理工學院校董教授王中林院士與H. Jerry Qi教授課題組合作，博士生鄧佳楠，博士后匡曉和博士生劉瑞遠利用新型塑料vitrimer聚合物制備了一種可以收集生物機械能和探測生物運動信號的摩擦納米發電機（VTENG）。通過將導電銀納米線網絡嵌入到基于熱動力雙硫鍵骨架的vitrimer聚合物中，該裝置實現了能量收集，信號傳感和自修復的獨特性能。器件的損傷可以通過結構中的動態化學鍵在熱刺激下得到快速修復，同時也能夠實現小面積器件到大面積器件的拼接以及二維到三維的折疊轉化。實驗不僅展示了VTENG作為柔性、可自修復的壓力傳感器和生物機械能收集裝置，也實現了輸出性能隨著器件拼接規模增加而增長。與其他類型的柔性發電裝置相比，這種器件又具有更長的使用壽命和設計兼容性，是功能聚合物在柔性電子器件中的有效應用。該研究成果以 Vitrimer Elastomer-Based Jigsaw Puzzle-Like Healable Triboelectric Nanogenerator for Self-Powered Wearable Electronics為題，發表在近期的Advanced Materials上 (DOI: 10.1002/adma.201705918)。

【圖文導讀】

圖1 材料設計和自修復性能表征

圖2 VTENG的制備過程和基本電學輸出性能

圖3 VTENG在應力下的輸出性能

圖4 VTENG的破壞和自修復研究

圖5 VTENG的模塊化組裝和應用展示

圖6 VTENG從2D變成3D之后的表征

【小結】

該研究利用vitrimer材料和導電銀納米線網絡制備了一種可以自修復、柔性、可折疊的能量收集裝置和傳感器。由于熱動力雙硫鍵反應的存在，這種裝置具有了一系列突出的優點，例如優異的耐拉伸能力，非常好的表面適應性能和快速修復的特點。在自修復完成以后，裝置的能量收集能力也可以得到恢復。通過利用這種性能，可以實現多個器件拼接組裝形成更大尺寸器件的功能，并且能夠集成更多類型的功能器件于一體，體現了功能聚合物在柔性電子器件中的巨大應用前景。

文獻鏈接：Vitrimer Elastomer-Based Jigsaw Puzzle-Like Healable Triboelectric Nanogenerator for Self-Powered Wearable Electronics(Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201705918)

相關研究：Shape Memory Polymers for Body Motion Energy Harvesting and Self-Powered Mechanosensing (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201705195)

【團隊介紹】

王中林院士：中國科學院外籍院士和歐洲科學院院士，佐治亞理工學院終身校董。佐治亞理工學院終身校董事講席教授，Hightower終身講席教授，工學院杰出講席教授和納米結構表征中心主任。首位中組部 “千人計劃”頂尖千人與團隊入選者，教育部長江學者講座教授。中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家和首任所長。王中林院士的開創性工作榮獲了多項國際榮譽：美國顯微鏡學會 1999年巴頓獎章﹐2009年美國陶瓷學會Purdy獎，2011年美國材料學會獎章(MRS Medal), 2012年美國陶瓷學會Edward OrtonMemorial 獎，2013 ACS Nano 講座獎，2014年美國物理學會James C. McGroddy 新材料獎，2013中華人民共和國國際科學技術合作獎，2014年佐治亞理工學院杰出教授終身成就獎，2014年NANOSMAT獎，2014年材料領域世界技術獎。王院士是美國物理學會fellow，美國科學發展協會(AAAS) fellow，美國材料學會 fellow，美國顯微學會fellow，美國陶瓷學會fellow，英國皇家化學學會fellow。2015年9月24日，湯森路透集團（THOMSONREUTERS）發布了2015年度引文桂冠獎（CitationLaureates）獲獎名單（諾貝爾獎風向標）。中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家、佐治亞理工學院終身校董事講席教授王中林院士成為物理學領域獲獎人之一，也是該獎項唯一的華人獲獎者。今年8月23日至25日在瑞典斯德哥爾摩舉行的歐洲先進材料大會上，王中林院士又以在先進材料科學和技術領域所做出杰出的貢獻，而榮獲2016年度先進材料獎。

王中林院士是國際公認的納米科技領域領軍人物。在一維氧化物納米結構制備、表征及其在能源技術、電子技術、光電子技術以及生物技術等應用方面均作出了原創性重大貢獻。他發明了納米發電機，并提出了自充電納米結構系統,為微納電子系統的發展開辟了新途徑。他開創了納米結構壓電電子學和壓電光電子學研究的先河，對納米機器人、人-電界面、納米傳感器、醫學診斷及光伏技術的發展具有里程碑意義。已在國際一流刊物上發表超過1400篇期刊論文（其中，《科學》、《自然》、及其子刊40余篇），擁有200項專利，7本專著和20余本編輯書籍和會議文集。他的學術論文已被引用85,000次以上。他論文被引用的H因子(h-index)是160。Nano Energy 的發刊主編和現任主編。附：王中林院士個人成果網址與王中林院士研究組主頁。

鄧佳楠博士（第一作者），劉瑞遠博士（共同第一作者）等人為佐治亞理工學院王中林院士課題組團隊成員。

本文由美國佐治亞理工學院王中林院士研究組供稿，材料牛整理編輯。

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