前沿 | 3d打印摩擦納米發(fā)電機，有了它再也不用擔心可穿戴設備沒電了！

發(fā)表時間：2018/11/29

近日，東華大學材料科學與工程學院游正偉教授-俞昊教授團隊在摩擦納米發(fā)電機（teng）領域取得重要進展。該團隊利用3d打印技術(shù)實現(xiàn)了teng的定制化、綠色化開發(fā)，為其在可穿戴領域的應用提供了廣闊前景。

teng是由佐治亞理工學院王中林院士于近年提出的將環(huán)境機械能高效轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。這種新興的技術(shù)為利用生物機械能構(gòu)建自驅(qū)動可穿戴電子設備提供了一種全新的解決方案，但是目前teng通常需要各部分分別制備然后組裝，較難構(gòu)筑不規(guī)則形狀，限制了其應用。

為了解決這一難題，游正偉教授團隊基于新近發(fā)展的熱固性材料3d打印新技術(shù)，構(gòu)筑了具有三維立體多孔結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機（3dp-teng）。該3dp-teng利用聚癸二酸甘油酯（pgs）為熱固性彈性基材和一種摩擦材料，碳納米管（cnts）分散其中構(gòu)成導電網(wǎng)絡和另外一種摩擦材料。制備中以pgs預聚物、cnts和鹽粒為打印墨水。其中鹽粒是關鍵，作為增強劑保證打印固化成形，同時作為致孔劑獲得了多孔結(jié)構(gòu)，每個微孔相當于一個摩擦納米發(fā)電機。當被擠壓時，微孔上下管壁接觸，pgs和cnts之間由于對電子束縛能力的不一樣，在接觸時二者間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。由于3dp-teng是彈性的，因此外力撤去時，微孔恢復原狀，電荷被分離在上下管壁的pgs和cnts中，從而在cnts與大地之間產(chǎn)生電勢差，加上外導線就構(gòu)成了電流。大量的微孔協(xié)同工作，從而獲得了良好的摩擦發(fā)電效能。

由于是3d打印一體成形，3dp-teng可以根據(jù)需要方便地定制。研究團隊根據(jù)人體工學打印了三維鞋墊，穿上步行時可以有效點亮led燈和對電子表進行充電。而3d打印的“指環(huán)”狀器件則可以根據(jù)輸出的電信號，方便地監(jiān)控手指的彎曲，感知彎曲的頻率和角度。

該工作還有一個突出的亮點是該3dp-teng是一個全生命周期環(huán)境友好型的電子設備。基體材料聚合物pgs由生物基的癸二酸和甘油縮聚而得，利用增材制造構(gòu)筑，原材料得到充分利用；pgs具有良好的生物降解性能，使用后可以完全降解為生物相容的癸二酸和甘油；cnts則可以方便地回收再利用，性能保持不變。

該項研究發(fā)展了一種新穎的策略，實現(xiàn)了摩擦納米發(fā)電機的3d打印一體成形?？梢愿鶕?jù)需要打印各種形狀，在可穿戴設備上具有廣闊的應用前景。

（來源：東華大學材料科學與工程學院）

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