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νas(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
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