一种具有形状记忆功能的柔性摩擦纳米发电机
功能材料是一种在光、电、磁、热、化学等外界作用下具有特定功能的材料，随着各种功能材料种类的大量开发和性能的不断提升，它们在电子皮肤、柔性机器人和可穿戴/植入式电子设备等许多方面显示出了巨大的应用前景。形状记忆聚合物是一种应激性的功能材料，这种材料在常温下可以维持一种临时的形状，在外界光或热刺激下会恢复到初始形态。对热响应形状记忆聚合物而言，将材料维持在一定形状并将温度升到高于转变温度 (融化温度或者玻璃化转变温度) 再进行降温的过程可以得到一个临时的形状。当材料在没有外力作用下的温度上升到转变温度时，由于熵的弹性释放材料又会回复到初始的形状。这种独特的性能使得形状记忆聚合物在生物医用器件，柔性机器人，柔性电子器件和航空航天领域都有着广泛的应用。
近日，在中科院北京纳米能源与系统研究所所长、美国佐治亚理工学院校董教授王中林院士的指导下，刘瑞远博士，匡晓博士和邓佳楠博士等研究人员利用热响应形状记忆材料制备了一种可以收集生物机械能和探测生物运动信号的摩擦纳米发电机，通过结合形状记忆材料的独特性能和离子导电液体电极的可流动性，这种摩擦纳米发电机可以随着不同使用要求改变并且维持特定形状。除了能够采集机械能，这种装置还可以作为一种多功能的可穿戴柔性自驱动传感器，该工作展示了功能材料在能量采集器件，自驱动传感器和柔性机器人中的新应用。
研究人员首先利用聚己内酯和光引发剂制备出了拉伸断裂伸长率达到900%的形状记忆聚合物，并且得到了97%以上的形状回复率，显示出了这种材料优异的机械性能。通过在聚合物内部注入导电离子液体，制备出了具有形状记忆功能的摩擦纳米发电机，该器件在1000 MΩ的匹配电阻下，得到了282 mW/m2的最大输出功率，在手动拍打收集能量的情况下可以在180 s内将一个100 μF容量的电容器充到1.5 V，能够用于驱动一个电子手表。制备的纳米发电机在50 ℃热处理下可以锁定为特定形状，没有外力作用下再次进行热处理又可以回复到原来的形状。这种独特的性能被应用在一种智能的手腕夹板上，当手腕触碰到材料表面时接触起电，会发出一个警示信号，可以对手腕弯曲过度引起的腕间隧道综合征起到防治缓解作用。利用热定型不仅可以实现装置在手腕上的良好贴合，反复的形状记忆还可以实现一个装置适用于不同手腕，极大地节省了使用材料和制作成本。相关研究工作发表在近期的Advanced Materials上(doi/10.1002/adma.201705195)。
A. 形状记忆材料在受热前（上图）后（下图）的分子构型示意图；B. 形状记忆材料在受热前（上图）后（下图）的照片；C. 形状记忆摩擦纳米发电机在生物医学探测中的应用示例。
论文链接：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201705195/full
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