王中林ACS nano：傳統剪紙藝術贈予的“禮物”—可伸縮性摩擦電納米發電機

【背景簡介】

在過去的幾十年間，作為下一代功能器件的柔性電子學一直在不斷發展，并吸引了工業界和學術界的廣泛關注。相比傳統器件，在不犧牲器件性能和可靠性的情況下，柔性電子器件有良好的可變形性。因此，柔性電子學在可穿戴器件、電子皮膚、植入式電子器件等方面有著巨大的應用前景。作為柔性電子系統中必不可少的供能模塊也在飛速的發展，科學家們已經研究了眾多可變形的能量存儲器件，比如基于薄膜可彎曲的超級電容器和電池，貼在衣服上的可伸縮的超級電容器和可伸縮的鋰離子電池等。然而，可伸縮的發電器件在柔性自供能電子系統中有著更高水平的應用潛力，因此，柔性發電器件也是國際科研領域中的熱點。

在日常生活中，機械能是一種普遍存在的能量。科學家在利用機械能發電方面做了很多工作，例如電磁發電機、壓電納米發電機和摩擦電納米發電機等。其中摩擦電納米發電機（TENG）是利用摩擦帶電和靜電感應之間的耦合效應將機械能轉換成電能的，有著低成本和充裕的原料選擇等優點，因此，摩擦電納米發電機在為柔性電子系統提供可伸縮能量方面存在很大的可能性。

目前，這個領域的難題在于摩擦電發電機的可彎曲性依賴于組成材料，要求組成材料（像PDMS和橡膠）必須要保證固有的彈性。但是，科學家利用這些彈性材料制作的摩擦電納米發電機的可伸縮效果并不理想。該怎么提高摩擦電納米發電機的可伸縮性呢？

近日，美國佐治亞理工學院王中林教授等人，從中國傳統的剪紙藝術中獲得靈感，通過對摩擦電納米發電機組成材料的結構入手，設計了一種高度可伸縮的聯鎖剪紙圖案結構的摩擦電納米發電機（紙基K-TENG）。

【主要亮點】

這種具有優良伸縮性的摩擦電納米發電機（TENG）借用了傳統的剪紙圖案，它的可伸縮性源自于結構的設計，而不是組成材料。利用這種設計方法，對于沒有彈性的材料也可以被用來制作TENG。因此，這種設計方法具有很高的普適性。文獻中制作的紙基K-TENG的可彎曲性可達到100%，可以通過各種形式的運動（例如伸縮、擠壓和扭轉等）進行工作。在該器件上做一個簡單的拍手動作就可以產生高達115.49V的開路電壓和39.87nC的轉移電荷。此外，這種K-TENG有著廣泛的應用，例如液晶顯示屏、LED照明陣列和自供電加速傳感等。這項工作顯著提高了可伸縮TENG的可伸縮度，促進了可伸縮TENG在柔性電子學領域的引用，開辟了基于剪紙設計在柔性電子器件應用的發展方向。

【結果和討論】

圖1 （a）紙基K-TENG的結構示意圖：上面的插圖是FEP薄膜的SEM圖片，下面的插圖是聯鎖結構的剖視圖。（b）不同拉力條件下的組合器件的圖片。

圖2　紙基K-TENG的工作機理：這種聯鎖剪紙圖案結構限制了FEP層的變形，確保張力釋放后，器件可以復原，極大地提高了器件的穩定性和可靠性。

圖3 ? 在拉伸應變為16%、28%和40%的情況下，紙基K-TENG的典型電學參數輸出：(a) 開路電壓Voc，（b）短路電流Isc和（c）轉移電荷量Qtr。上面的插圖是在相應應變值的條件下，紙基K-TENG的剖視圖。從上圖可以看出：應變為16%、28%和40%的三種情況分別對應著器件處于輕微拉伸、滿載拉伸和超載拉伸的狀態，通過對這三種代表狀態的測試，可以得到器件的最大工作極限。在前兩種狀態下，電荷分離距離隨拉伸應變增大單調增加，故開路電壓Voc和轉移電荷Qtr也單調增加；在超載拉伸狀態下，電荷分離距離隨拉伸應變增大開始下降。可以得出，在滿載拉伸狀態下，器件的開路電壓Voc 達到最大值。

圖4 ? K-TENG的不同工作模式：（a-c）拉伸模式下應變值為28%的紙基K-TENG的剖視圖，開路電壓Voc和轉移電荷Qtr；（d-f）壓縮模式下紙基K-TENG的剖視圖，開路電壓Voc和轉移電荷Qtr；（g-i）扭轉模式下紙基K-TENG的剖視圖，開路電壓Voc和轉移電荷Qtr。

圖5 ? 紙基K-TENG在自供能加速傳感器的應用：（a）在不同加速度值下對應的開路電壓Voc；（b）裝有紙基K-TENG的加速傳感器的圖片；（c）開路電壓Voc和加速度a的關系圖：趨勢線清晰地表明開路電壓和加速度呈現線性的關系，比例系數為0.080V?s2/m，在10至40m/s2的范圍中，表現出優良的性能。

【總結】

王中林教授等人提出的這種通用方法，可以制備出高伸縮性、環境友好型和聯鎖剪紙圖案結構的紙基K-TENG。由固有彈性材料制備出的K-TENG的最大拉伸應變可達100%，最大可輸出7.32伏的開路電壓和2.64nC的轉移電荷量。這種聯鎖剪紙圖案結構設計不但可以顯著地增強器件的硬度和可靠性，而且消除了過去的TENG在電荷分離過程對額外空間的需要。由于這種設計本身呈現形狀適應性的薄膜結構，使得K-TENG可以在不同類型的運動模式（拉伸、壓縮和扭轉）下工作，擴大K-TENG的應用范圍。這項工作從傳統藝術中得到啟發，應用到納米發電機行業，促進了柔性電子行業的發展。

【作者簡介】

王中林﹐1982畢業于西北電訊工程學院(現名西安電子科技大學)﹐并于同一年考取中美聯合招收的物理研究生(CUSPEA)。1987 年獲亞利桑那州立大學物理學博士, 從師于國際電子顯微學權威 John Cowley 教授。王教授現是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。王教授已當選為中國科學院外籍院士和歐洲科學院院士。

王中林是國際納米科技領域具有重要學術影響的科學家。他的研究具有原創性，前瞻性和引領性。近年來，他在納米材料可控生長、表征和應用等多方面取得了多項有國際重要影響力的原創性研究成果。王教授已在國際一流刊物上發表了1000多篇期刊論文（其中16篇發表在美國《Science》和《Nature 》期刊上；六篇發表在《Nature》子刊上）﹐45篇綜述和書章節﹐100項專利等。他已被邀請做過850多次學術講演和大會特邀報告。他的學術論文已被引用84,000次以上。他論文被引用的H因子(h-index)是140。他是世界上在材料和納米技術論文引用次數最多的前五位作者之一。王教授在當今世界最杰出的科學家排名榜上第25名 。

課題組網頁：http://www.nanoscience.gatech.edu/

【備注】

該研究成果近期發表在ACS nano (IF: 12.881) 上，文獻鏈接：Paper-Based Triboelectric Nanogenerators Made of Stretchable Interlocking Kirigami Patterns。

本文由材料人科普團隊學術組靈寸供稿，材料牛編輯整理。

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