前沿 | 3d打印摩擦納米發電機，有了它再也不用擔心可穿戴設備沒電了！

發表時間：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電機（teng）領域取得重要進展。該團隊利用3d打印技術實現了teng的定制化、綠色化開發，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境機械能高效轉化為電能的技術。這種新興的技術為利用生物機械能構建自驅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，較難構筑不規則形狀，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展的熱固性材料3d打印新技術，構筑了具有三維立體多孔結構的摩擦納米發電機（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）分散其中構成導電網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構，每個微孔相當于一個摩擦納米發電機。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，在接觸時二者間發生電荷轉移。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與大地之間產生電勢差，加上外導線就構成了電流。大量的微孔協同工作，從而獲得了良好的摩擦發電效能。

由于是3d打印一體成形，3dp-teng可以根據需要方便地定制。研究團隊根據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”狀器件則可以根據輸出的電信號，方便地監控手指的彎曲，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。

該項研究發展了一種新穎的策略，實現了摩擦納米發電機的3d打印一體成形。可以根據需要打印各種形狀，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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