可任意变形、瞬时自愈合的摩擦纳米发电机

来源：X一MOL资讯

柔性电子设备或软体机器人取得了飞速的发展，其中的一个挑战是实现可持续的、功能匹配的电源。例如，理想情况下，用于电子皮肤的能源器件应该能够粘附在弯曲的人体皮肤并相应地变形，甚至损坏后能自动修复；软机器人的能源器件也可能需要适应不规则和动态的形状或表面，然而，大多数传统的电磁式发电机、储能电池等电源由于材料选择和特定结构要求的限制，无法满足这些要求。近来快速发展的摩擦纳米发电机（TENG），是一种极具前景的能源器件，可用于软体电子/机器人技术。研究人员已经研发了各种柔性和可拉伸的TENG，它们可以收集各种机械能。但这些柔性和可拉伸的TENG的变形能力有限。除此之外，也有一些研究人员研发了自愈合的TENG，然而，制备的自愈合的TENG需要加热或很长时间才能愈合，因此，制备可任意变形和瞬间自愈合的的TENG依然存在一定的挑战。

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所蒲雄研究员、胡卫国研究员、王中林院士的研究团队，研制出了一种可任意变形和瞬时自愈合的摩擦纳米发电机，该器件具有高度形状自适应、瞬时室温自愈合和高输出的特点。 

研究人员首先利用羟基封端的聚二甲基硅氧烷（PDMS）与硼酸脱水缩合得到橡皮泥。制得的橡皮泥具有独特的性质，随着时间的推移，它能够像液体一样缓缓流动。轻轻地捏，可将其捏成各种形状。这是由于橡皮泥中存在动态的硼氧配位键，橡皮泥变形时，聚合物链是可移动的，动态键发生断裂并在不同的地方重新形成。制得的橡皮泥同时具有自愈合的功能，其在受到机械损伤后，动态的硼氧配位键和氢键可以重新结合，使其恢复原有的功能。然后将多壁碳纳米管分散到橡皮泥中，制得可任意变形和自愈合的导电橡皮泥，用橡皮泥将导电橡皮泥进行封装，制得可任意变形、自愈合的摩擦纳米发电机。制备的TENG能够产生高达140伏的开路电压，瞬时功率密度为410毫瓦/每平方米。此TENG具有高输出的原因是软性固-固界面接触和橡皮泥极强的摩擦电负性。橡皮泥具有比常用的PTFE更强的摩擦电负性。此TENG可以粘附到任意曲面，同时可裁剪并重新组装成新的形状。此TENG有望应用于电子皮肤、软体机器人、以及可穿戴电子等领域。

图1. 形状自适应TENG的结构示意图、形状自适应实物展示、以及自愈合机理示意

这一成果近期发表在ACS Nano上，文章的第一作者是中国科学院北京纳米能源与系统研究所博士研究生陈阳辉。