近年来，可穿戴电子设备如雨后春笋般兴起，代表性产品包括智能眼镜、智能手表、智能手环等等。可穿戴设备不仅是一种硬件，更是可以利用互联网来实现数据交互的信息终端。除了消费级的产品，很多医疗器械也向着可穿戴方向发展，比如助听器以及一些慢性病的监控设备。虽然可穿戴设备发展很快，目前却面临一个瓶颈，那就是供能问题。常见的锂离子电池，材质为刚性，而且还有安全风险，无法满足下一代柔性电子设备的要求。这就要求科学家们开发新的柔性、可持续供能设备。
近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士、胡卫国研究员、蒲雄博士等科学家在ACS Nano 杂志发表论文，报道了利用水凝胶-弹性体复合材料制成的仿皮肤式摩擦纳米发电机（TENG）。这种摩擦纳米发电机可以贴合在皮肤上，可适应人体各种运动并收集所产生的能量转换为电能，从而驱动柔性电子设备，是名副其实的“能源皮肤（Energy Skin）”。
首先是纳米发电机材料的制备过程。作者选择了疏水性的弹性体Ecoflex或聚二甲基硅氧烷（PDMS）Sylgard 184，以及亲水性的聚丙烯酰胺-海藻酸钠水凝胶作为基本材料。弹性体和水凝胶一个疏水一个亲水，两种材料的界面天生比较脆弱。为解决这个问题，作者首先通过在乙醇中对弹性体修饰二苯甲酮（benzophenone，BP），然后在上层加入水凝胶的溶液，最后通过紫外线照射来形成复合材料（图1a）。由此，弹性体和水凝胶界面上形成了刚性的聚合物（图1b-c）。应力-应变曲线数据表明（图1d-e），Ecoflex弹性体-水凝胶复合材料可以在0.88牛顿受力下拉伸740%，应变速度为70毫米/分钟；PDMS弹性体-水凝胶复合材料拥有相近的特性。同时，材料的形变测试也表明复合材料在保持界面不破坏的情况下，达到最高5-8次的循环。
图1. （a）牢固粘合的弹性体/水凝胶复合材料的制作过程；（b）未经BP处理的弹性体/水凝胶界面易断裂；（c）经BP处理的弹性体/水凝胶界面保持刚性；（d）水凝胶-Ecoflex材料应力-应变曲线；（e）水凝胶-PDMS材料应力-应变曲线；（f）水凝胶-Ecoflex材料拉伸测试重复性；（g）水凝胶-Ecoflex材料拉伸测试重复性。图片来源：ACS Nano
水凝胶材料的一个严重问题就是失水，而加上弹性体薄层的涂层可以有效阻止失水（图2a）。作者对水凝胶材料进行了两种不同弹性体的涂层修饰，得到两种三明治结构：Ecoflex弹性体-水凝胶- Ecoflex弹性体复合结构（E-h-E）以及PDMS弹性体-水凝胶-PDMS弹性体复合结构（P-h-P）。作者对未经处理的水凝胶，弹性体夹层的E-h-E和P-h-P结构进行了失水实验，未加涂层的水凝胶在前20小时失水严重，到72小时只保留了14.5%的重量。E-h-E和P-h-P两种三明治涂层结构具有相近的保水性质，72小时后分别还有70.5%和72.4%的重量。这些数字对于不加涂层的水凝胶，失水速度分别减少了73.2%和78.6%（图2b）。从图2c的照片可以看出，不加涂层的水凝胶失水后尺寸也极大减小，而E-h-E和P-h-P两种三明治涂层结构仍然保持尺寸不变。
图2. （a）水凝胶的失水示意图和加了弹性体涂层阻止其失水；（b）水凝胶经过弹性体修饰的E-h-E和P-h-P材料的重量随时间的变化曲线；（c）以上三种材料的0-72小时失水实验的照片。图片来源：ACS Nano
作者接着展示了单电极摩擦纳米发电机的三明治结构图（图3a）。由于水凝胶的良好离子导电性（1.25 ×10-5 S/cm），。通过测试，这种超薄（380 μm）的摩擦纳米发电机可以很好地贴合人类皮肤，而且具有良好的弹性以及对可见光的透过性。电学性能测试表明，皮肤和PDMS层接触面以1.5 赫兹频率、0.2米/秒的速度稳定运动以及压力约100 千帕时，可以稳定得到70伏的开路电压，23.4 纳库仑的短路电荷量，以及0.46微安培的短路电流。另外，该薄膜材料在受到75%的拉伸并循环600次后，没有表现机械疲劳和降解，电学性能也没有明显降低。
图3. （a）单电极摩擦纳米发电机的三明治结构图；（b）纳米发电机的弹性展示照片；（c）纳米发电机的高透明度展示照片；（d）纳米发电机对于可见光的透过率；（d）纳米发电机的初始和75%拉伸状态照片；（e）应力-应变曲线。图片来源：ACS Nano
作者在此单电极摩擦纳米发电机的基础上设计了双电极摩擦纳米发电机（图4a）。这种柔性器件可以贴合人体不同位置，并适应不同的运动。电学性能测试表明，双电极摩擦纳米发电机可以得到最大100伏的开路电压，32 纳库仑的短路电荷量，以及0.36微安培的短路电流。另外，作者还展示了双电极的纳米发电机模拟人体的不同运动姿势下的电学性能。在受压、拉伸、弯曲和扭曲等不同的受压模式下，由动能所产生的电能足以持续驱动电子手表。
图4. （a）双电极纳米发电机的结构示意图（灰色：Ecoflex弹性体层；浅蓝色：PDMS弹性体层；黄色：水凝胶层）；（b）纳米发电机贴合皮肤的形状适应能力；（a）双电极纳米发电机的工作机理示意图（灰色：Ecoflex弹性体层；浅蓝色：PDMS弹性体层；黄色：水凝胶层）；（d）开路电压（Voc）；（e）短路电荷量（Qsc）；（f）短路电流（Isc）。图片来源：ACS Nano
——总结——
作者团队通过使用水凝胶和弹性体的复合材料制备了基于摩擦纳米发电机的柔性“能源皮肤”，可适应人体各种运动并收集所产生的能量转换为电能，从而驱动电子装置，有希望为下一代柔性电子设备供能。随着科学家们的不断努力，我们相信在不久的将来，此前只能出现在科幻电影里的炫酷电子设备，终能飞入平常百姓家。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Triboelectric-Nanogenerator-Based Soft Energy-Harvesting Skin Enabled by Toughly Bonded Elastomer/Hydrogel Hybrids
Ting Liu, Mengmeng Liu, Su Dou, Jiangman Sun, Zifeng Cong, Chunyan Jiang, Chunhua Du, Xiong Pu, Weiguo Hu, and Zhong Lin Wang
ACS Nano, 2018, 12, 2818–2826, DOI: 10.1021/acsnano.8b00108
导师介绍
王中林
http://www.x-mol.com/university/faculty/48479
胡卫国
http://www.x-mol.com/university/faculty/48478
蒲雄
http://www.x-mol.com/university/faculty/48477
（本文由叶舞知秋供稿）
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