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  近日，杭州師范大學(xué)朱雨田教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南開大學(xué)劉遵峰教授在《Advanced Functional Materials》發(fā)表最新研究成果，題為《Seamlessly Integrated, High-Output and Robust Triboelectric Nanoyarns: Continuously Electrospun Core-Sheath Architectures for Multimodal Sensing Platforms》。該研究基于多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將鍍銀尼龍導(dǎo)電紗芯與含有無鉛鈣鈦礦Cs₃Bi₂Cl₉的PVDF-TrFE復(fù)合鞘層相結(jié)合，通過連續(xù)共軛靜電紡絲技術(shù)制備出單電極同軸納米纖維紗線TENG（CNY-SE-TENG），實(shí)現(xiàn)了輸出性能與運(yùn)行穩(wěn)定性的同步提升�；谶@種無縫集成的納米紗線，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了多種功能應(yīng)用，包括交互式古箏數(shù)字化界面、自供電摩爾斯電碼通信平臺，以及準(zhǔn)確率達(dá)95.83%的織物識別系統(tǒng)。該研究為高性能、可穿戴兼容的摩擦電紗線提供了新材料設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成路徑，展現(xiàn)了其在人機(jī)交互與智能傳感領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

  當(dāng)前，摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）因其能將環(huán)境中廣泛的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的特性，在能量收集和智能傳感領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。其中，織物基TENG憑借其固有的柔韌性、透氣性以及與日常服裝的無縫集成潛力，被視為構(gòu)建自供電可穿戴設(shè)備的理想平臺之一。為了提升其電輸出性能，研究普遍集中于對摩擦電材料（如PVDF及其共聚物）進(jìn)行功能填料復(fù)合，并借助靜電紡絲等工藝優(yōu)化纖維表面形貌。然而，現(xiàn)有基于靜電紡絲的織物基TENG主要采用多層的“三明治”結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致了機(jī)械剛性增強(qiáng)、透氣性下降、界面穩(wěn)定性不足，同時也限制了其在紡織加工中的集成兼容性與人體動態(tài)貼合性。因此，如何在提高輸出性能的同時，突破傳統(tǒng)多層架構(gòu)的固有限制，實(shí)現(xiàn)TENG在織物中的結(jié)構(gòu)一體化、穿戴舒適性與運(yùn)動兼容性的協(xié)同，成為推動其走向?qū)嶋H可穿戴應(yīng)用亟待解決的核心科學(xué)問題。

結(jié)構(gòu)調(diào)控與性能優(yōu)化

  該研究通過共軛靜電紡絲技術(shù)，制備出一種具有連續(xù)核鞘結(jié)構(gòu)的高性能摩擦電納米紗線。該結(jié)構(gòu)以鍍銀尼龍紗線為導(dǎo)電芯層，表面均勻包覆PVDF-TrFE納米纖維鞘層，形成穩(wěn)定的一體化結(jié)構(gòu)。該紗線不僅具備良好的柔韌性，還可通過編織實(shí)現(xiàn)圖案化與復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工，顯示出優(yōu)異的二次加工能力。為進(jìn)一步提升性能，研究團(tuán)隊(duì)引入無鉛鈣鈦礦Cs₃Bi₂Cl₉作為功能填料。材料表征結(jié)果表明，鈣鈦礦與PVDF-TrFE基體之間存在明顯的界面相互作用： CFH/CH₂偶極與[Bi₂Cl₉]^3-簇團(tuán)中的Cl^-離子之間產(chǎn)生了C-H···Cl離子-偶極相互作用，有效誘導(dǎo)聚合物鏈發(fā)生全反式構(gòu)象轉(zhuǎn)變，從而進(jìn)一步促進(jìn)極性β相結(jié)晶的形成，提升材料的介電性能。

圖1. a) 連續(xù)共軛靜電紡紗制備CNYs的示意圖；b) PVDF-TrFE/Cs₃Bi₂Cl₉ CNYs的照片：i) 成卷的CNYs，ii) 承受500g重量，iii) 十字繡"HZNU"圖案，iv) 編織成斜紋織物；c) Cs₃Bi₂Cl₉的XRD圖譜；d) Cs₃Bi₂Cl₉的SEM圖像及元素分布圖；e) Cs₃Bi₂Cl₉與PVDF-TrFE相互作用示意圖；f) PVDF-TrFE和PVDF-TrFE/Cs₃Bi₂Cl₉復(fù)合材料的F 1s譜圖；g) Cs₃Bi₂Cl₉及PVDF-TrFE/Cs₃Bi₂Cl₉復(fù)合材料的Cl 2p譜圖；h) PVDF-TrFE及其復(fù)合材料的ν_as(CH₂)基團(tuán)FT-IR光譜。

圖2. a–c) PVDF-TrFE CNYs：a) 低倍SEM圖像，b) 高倍SEM圖像，c) 截面SEM圖像及F和Ag元素EDS面分布圖；d–f) 添加0.75 wt.% Cs₃Bi₂Cl₉的CNYs：d) 低倍SEM圖像，e) 高倍SEM圖像，f)橫截面SEM圖像及F和Ag元素EDS面分布圖；g) 不同Cs₃Bi₂Cl₉含量（0 wt.%–1.0 wt.%）的PVDF-TrFE/Cs₃Bi₂Cl₉復(fù)合材料的FT-IR光譜，h)β相含量；i)介電常數(shù)。

  通過對紡絲牽引速率、鈣鈦礦填料濃度及織物編織結(jié)構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化，TENG在最佳條件下實(shí)現(xiàn)了83.7 mW m-2的功率密度。該器件展現(xiàn)出卓越的環(huán)境穩(wěn)定性與機(jī)械耐久性，在50400次循環(huán)測試、長期儲存及多次洗滌后仍保持穩(wěn)定的電信號輸出。同時，器件具備優(yōu)良的透氣性與生物相容性，為其在可穿戴電子領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供了可靠保障。

圖3. a) CNY-SE-TENG的工作原理示意圖；b) CNY-SE-TENG的模擬電勢分布圖；c) CNY-SE-TENG電子轉(zhuǎn)移的電子云勢阱模型；d) 不同牽引速率制備的紗線CNY-SE-TENG的開路電壓；e) 不同Cs₃Bi₂Cl₉負(fù)載量CNY-SE-TENG的輸出電壓，f) 短路電流，及g) 轉(zhuǎn)移電荷。

圖4. a) 不同位移距離， b) 不同頻率下TF-SE-TENG的開路電壓；c) TF-SE-TENG的開路電壓和瞬時功率密度隨不同負(fù)載電阻的變化關(guān)系；d) 不同施加力作用下TF-SE-TENG的開路電壓；e) TF-SE-TENG的輸出電壓隨施加壓力的變化函數(shù)；f) TF-SE-TENG在50400次循環(huán)中的穩(wěn)定性測試。

圖5. a) 本工作與已報道紗線基TENG的功率密度和耐久性對比；b) TF-SE-TENG儲存4個月后的輸出穩(wěn)定性；c) TF-SE-TENG與其他紡織品的水蒸氣透過率對比；d) 展示TF-SE-TENG透氣性展示；e) TF-SE-TENG、創(chuàng)可貼和TPU薄膜的皮膚刺激性對比。f) B16細(xì)胞生長的光學(xué)顯微鏡圖像；g) 不同Cs₃Bi₂Cl₉摻入量TF-SE-TENG的水接觸角；h) 紅色染料水滴滴落（上圖）和浸漬（下圖）TF-SE-TENG的過程照片；i) 經(jīng)過5次洗滌循環(huán)后TF-SE-TENG的輸出穩(wěn)定性。

CNY-SE-TENG的多功能應(yīng)用

  該研究通過連續(xù)共軛靜電紡紗制備的納米紗線，在多個應(yīng)用場景種展現(xiàn)出良好的潛力：

  1）智能音樂接口：基于CNY-SE-TENG陣列構(gòu)建了智能古箏系統(tǒng)，將紗線替換傳統(tǒng)琴弦，演奏過程中，指腹撥弦動作可激發(fā)相應(yīng)的電壓信號，由ESP32單片機(jī)通過定制化電路進(jìn)行信號采集與處理，并轉(zhuǎn)換為控制指令驅(qū)動音頻模塊發(fā)聲。該系統(tǒng)不僅能準(zhǔn)確演奏五聲音階的連續(xù)旋律，還可復(fù)現(xiàn)《茉莉花》等經(jīng)典旋律，驗(yàn)證了其在傳統(tǒng)樂器數(shù)字化與智能音樂交互方面的可行性。

  2）自供電通信系統(tǒng)：將CNY-SE-TENG集成于手套指關(guān)節(jié)處，利用不同彎曲角度產(chǎn)生的電壓脈沖幅度差異進(jìn)行編碼識別：30°以下彎曲產(chǎn)生低幅脈沖（對應(yīng)“.”），90°彎曲產(chǎn)生高幅脈沖（對應(yīng)“-”）。使用者通過時序控制手指動作，成功實(shí)現(xiàn)數(shù)字序列“2025”的編碼與識別，展示了其在人機(jī)交互與簡易通信領(lǐng)域的應(yīng)用可能性。

  3）智能織物識別：針對二維結(jié)構(gòu)TENG在織物識別中的局限性，將一維CNY-SE-TENG集成于手套食指腹側(cè)。當(dāng)紗線滑過不同紋理織物時，因接觸分離差異產(chǎn)生具有特異性的電壓波形。通過構(gòu)建一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（1D-CNN）對六類織物的信號進(jìn)行分析，模型在測試集上達(dá)到95.83%的準(zhǔn)確率，混淆矩陣顯示其對各類紋理均具備高精度識別能力，為基于摩擦電信號的織物表面形貌識別提供了新的思路。

圖6. a) 智能古箏系統(tǒng)的工作流程示意圖；b) 演奏《茉莉花》旋律時智能古箏系統(tǒng)的輸出信號；c) 集成在手套指關(guān)節(jié)處的CNY-SE-TENG摩爾斯電碼傳輸系統(tǒng)示意圖；d) 安裝在指關(guān)節(jié)上的CNY-SE-TENG編碼數(shù)字序列“2025”的輸出電壓信號。

圖7. a) 織物識別工作流程示意圖；b) 六種織物的摩擦電信號特征；c) 從六種織物采集的數(shù)據(jù)集可視化；d,e) 訓(xùn)練周期內(nèi)的訓(xùn)練和測試準(zhǔn)確率(d)與損失值(e)；f) 六種織物識別的混淆矩陣。

  本研究通過可規(guī)�；撵o電共軛紡紗技術(shù)，結(jié)合多尺度結(jié)構(gòu)工程策略，成功開發(fā)出一種高性能的CNY-SE-TENG。該器件在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用潛力，具體包括用于交互式古箏數(shù)字化界面、自供電摩爾斯密碼通信平臺以及基于一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的織物識別系統(tǒng)。該研究為開發(fā)兼具高性能與良好穿戴兼容性的摩擦電紗線提供了新材料設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成思路，推動了TENG在智能可穿戴領(lǐng)域的實(shí)用化進(jìn)程。

  論文信息

  標(biāo)題：Seamlessly Integrated, High-Output and Robust Triboelectric Nanoyarns: Continuously Electrospun Core-Sheath Architectures for Multimodal Sensing Platforms

  作者：Yiqun Chen, Jinrong Huang, Zixuan Liu, Yi Zou, Jianwen Chen, Zunfeng Liu, Yutian Zhu

  期刊：Advanced Functional Materials

  DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.202523166