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发电海绵---集能源转换与传感一体化的柔性纳米复合材料  

2017-03-06 16:00:40|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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近年来,随着智能化信息科技的不断发展,科学家们对智能可穿戴电子器件展开了广泛的研究。自驱动电子器件更成为当前信息科技和医疗健康等领域的研究热点。摩擦纳米发电机通过有效地将机械能、生物能等转化为电能,为众多电子器件的电能供应问题提供有效的解决方案,同时为自驱动传感等领域开辟了新的方向。然而,目前研究的摩擦发电机主要基于分立组分的相对运动,使其在实现可拉伸、微型化、封装等方面存在困难,从而限制了摩擦发电机与可穿戴柔性电子器件的有效结合。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所朱光研究员和王中林院士指导博士生范友军发明了一种新型的可穿戴柔性摩擦纳米发电机。他们采用低成本的氯化钠颗粒作为牺牲模板,应用碳纳米管和具有生物相容性的聚二甲基硅氧烷(PDMS),制备出具有规则介孔结构的高弹性碳纳米复合材料,伸长率可达到243%。该介孔纳米复合材料受到外部循环作用力时,介孔内壁具有不同电极序的组分摩擦起电,同时通过介孔间导电材料的静电感应实现发电。实验测试中一块拇指大小的多孔复合材料在60 N的外力作用下,输出开路电压达60 V,短路电流达180 nA。这一设计避免了传统摩擦发电机的三明治组合结构,具有结构单一性、可拉伸性、形状自适性、高弹性和高稳定性等特点。实验中经过40000次循环测试,该介孔纳米复合材料的结构未发生改变,电学输出依然保持稳定。

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良好的生物兼容性更使得该介孔纳米复合材料可直接用作可穿戴设备。该材料可精准探测施加在材料上的压力大小,粘贴在人体关节部位及脚底等部位不仅可以收集挤压、拉伸、弯曲、扭转等多种变形能量,同时可实现对于人体运动形式的监测,从而实现了能量转换与传感功能的一体化,有望广泛应用于健康监测、智能装备、人机交互等领域。

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该学术成果发表在《Advanced Materials》上。

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