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  近年來(lái)，基于壓電納米發(fā)電機(jī)（PENG）的柔性可穿戴電子器件在能量收集、自驅(qū)動(dòng)生物傳感領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。目前，提高PENG的壓電性能和靈敏度是推進(jìn)其在物聯(lián)網(wǎng)和人工智能中應(yīng)用最迫切需要解決的問(wèn)題。要獲得兼具柔性、高壓電性、高性能的TENG是該領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)之一。將具有高壓電性的無(wú)機(jī)壓電材料填充到具有柔性的有機(jī)壓電材料中得到有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)，是解決這一難題的方法。然而，無(wú)機(jī)填料和有機(jī)介質(zhì)間巨大的模量差距和弱界面融合是限制其器件性能進(jìn)一步提升的主要原因。如果解決這一問(wèn)題，構(gòu)建性能優(yōu)異的柔性壓電薄膜成為提高PENG壓電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。

  來(lái)自中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李琳琳研究員與王中林院士團(tuán)隊(duì)，將高長(zhǎng)徑比的一維鈦酸鋇納米線（BTNW）作為壓力響應(yīng)單元引入柔性聚偏氟乙烯-三氟乙烯（P（VDF-TrFE））靜電紡絲纖維薄膜中，形成同軸核殼結(jié)構(gòu)納米纖維。為了增強(qiáng)有機(jī)-無(wú)機(jī)兩相界面相互耦合作用以提高納米纖維的壓電轉(zhuǎn)換能力和力學(xué)性能，在BTNW表面均勻涂覆聚多巴胺（PDA）納米層。實(shí)驗(yàn)和模擬分析結(jié)果證明，PDA層能夠通過(guò)強(qiáng)化一維納米線在有機(jī)介質(zhì)中的均勻分散和應(yīng)力傳導(dǎo)過(guò)程，導(dǎo)致壓電輸出性能和靈敏度的增加。由此獲得的可穿戴PENG傳感器的輸出電壓和電流可達(dá)18.2 V和1.8 μA。響應(yīng)時(shí)間也縮短至20.4 ms。該傳感器能夠從生命活動(dòng)中獲取生物力學(xué)能量，檢測(cè)人體各個(gè)部位的運(yùn)動(dòng)，手指識(shí)別和聲音辨別，在個(gè)人健康管理、遠(yuǎn)程人機(jī)交互等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。 

圖4：壓電復(fù)合薄膜的傳感性能。（a-e）用于人體各項(xiàng)關(guān)節(jié)在不同頻率和角度下運(yùn)動(dòng)的自供電多模態(tài)傳感，（f-g）手指識(shí)別和（h-j）語(yǔ)音辨認(rèn)。

  近日，該研究成果以“Flexible and highly piezoelectric nanofibers with organic-inorganic coaxial structure for self-powered physiological multimodal sensing”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Chemical Engineering Journal》上。文章的第一作者是中科院北京納米能源所的博士生萬(wàn)钘怡，通訊作者為李琳琳研究員和王中林院士。

  論文鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722045569