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  近日，深圳大學(xué)黃龍彪、清華大學(xué)孫富春和香港理工大學(xué)郝建華課題組合作報(bào)道了一種基于4D打印技術(shù)的摩擦納米發(fā)電機(jī)，以形狀記憶聚合物—聚氨酯（PU）為主體材料，并使用熔融沉積建模技術(shù)（FDM）構(gòu)建摩擦納米發(fā)電機(jī)的主體結(jié)構(gòu)，使得摩擦納米發(fā)電機(jī)具備良好的形狀記憶能力，極大地提高了摩擦納米發(fā)電機(jī)的使用壽命。（Nano Energy, 2021, 84,105873）

  摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric Nanogenerator，TENG）可有效地將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能或電信號(hào)。隨著TENG的不斷發(fā)展，摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜且精密，而傳統(tǒng)的制備工藝難以滿足TENG的定制化、高效率且高精度的需求。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，TENG還需要進(jìn)行高強(qiáng)度的摩擦或碰撞，這會(huì)導(dǎo)致摩TENG的性能出現(xiàn)衰減，從而影響TENG的使用壽命，并限制了TENG的實(shí)用性。通過(guò)對(duì)TENG現(xiàn)有的制備工藝進(jìn)行大量的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前尚無(wú)一種既能滿足TENG高效率且高精度制備需求，還能提高TENG使用壽命的工藝。

  本研究將4D打印技術(shù)引入用于制備TENG，利用形狀記憶材料（PU）的特點(diǎn)以及FDM的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)TENG復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備以及使用壽命的提升。通過(guò)三維模型的設(shè)計(jì)以及對(duì)打印參數(shù)的控制，還能在摩擦層表面獲得微米級(jí)的形貌。其中銀納米線（AgNWs）層作為4D打印TENG（4DP-TENG）的導(dǎo)電層，使用噴涂設(shè)備在基底表面噴涂AgNWs -乙醇溶液，將乙醇揮發(fā)后即可在基底表面獲得均勻的AgNWs導(dǎo)電層（圖1）。

圖1 4D打印TENG的制備流程

  在高強(qiáng)度且高頻次的外力作用下，聚氨酯表面的微米級(jí)形貌會(huì)出現(xiàn)坍塌，整體結(jié)構(gòu)將發(fā)生變形。由于聚氨酯具備形狀記憶功能，因此將變形后的聚氨酯置于60 °C環(huán)境下進(jìn)行熱處理后，在固定相的作用下，聚氨酯的整體結(jié)構(gòu)以及表面形貌都將得到恢復(fù)（圖2）。

圖2 聚氨酯結(jié)構(gòu)以及表面形貌的形變-恢復(fù)過(guò)程

  使用上述4DP-TENG的制備流程完成垂直接觸-分離式TENG的制備，以PU與AgNWs分別作為摩擦層。并對(duì)垂直接觸-分離式TENG的電學(xué)性能進(jìn)行表征，其中開(kāi)路電壓、短路電流以及轉(zhuǎn)移電荷量分別為39 V、5.9 μA、43 nC。當(dāng)負(fù)載電阻為10 MΩ時(shí)，其最大輸出功率密度達(dá)到56 mW/m²。此外4DP-TENG的形狀記憶功能也得到了驗(yàn)證（圖3）。

圖3 4D打印垂直接觸-分離式TENG

  通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并使用4D打印技術(shù)制備了一款基于垂直接觸-分離式TENG的集能鞋墊。在60kg的實(shí)驗(yàn)者正常行走時(shí)，該集能鞋墊能提供140 V的開(kāi)路電壓，19 uA的短路電流以及95 nC的轉(zhuǎn)移電荷量。當(dāng)負(fù)載電阻為7 MΩ時(shí)，最大輸出功率密度能達(dá)到56 mW/m²。集能鞋墊的輸出經(jīng)過(guò)整流后，能直接電量28顆綠光LED，同時(shí)，集能鞋墊的形狀記憶功能也得到了了驗(yàn)證（圖4）。

圖4 4D打印集能鞋墊

  使用4D打印技術(shù)制備了六光柵盤結(jié)構(gòu)的獨(dú)立層式TENG，根據(jù)獨(dú)立層式TENG輸出信號(hào)的特征，設(shè)計(jì)了一個(gè)檢測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度的傳感器，該傳感器可以根據(jù)TENG輸出電信號(hào)的相位信息判斷關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度。當(dāng)傳感器性能出現(xiàn)衰減時(shí)，輸出信號(hào)的相位信息仍然不會(huì)受到影響。這種根據(jù)相位判斷轉(zhuǎn)動(dòng)角度的檢測(cè)方式將有效提高傳感器的檢測(cè)精度，避免因器件性能衰減帶來(lái)的檢測(cè)誤差。同時(shí)，該傳感器同樣具備良好的形狀記憶功能（圖5、圖6）。

圖5 自供能傳感器檢測(cè)原理以及裝配示意圖

圖6 不同關(guān)節(jié)處傳感器的輸出信號(hào)

  以上工作以“4D-printed self-recovered triboelectric nanogenerator for energy harvesting and self-powered sensor”為題發(fā)表在Nano Energy（2021, 84,105873）上。深圳大學(xué)黃龍彪副教授和深圳大學(xué)碩士生韓建成為共同第一作者，通訊作者為黃龍彪副教授、清華大學(xué)孫富春教授和香港理工大學(xué)郝建華教授。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51973119）、廣東省自然科學(xué)基金（2018A0303130060/2019A1515011566）、廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2019B1515120042）、深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)（JCYJ20170818101245583）、和PolyU PDFS（YW4N）的支持。

  論文連接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521001312

課題組博士后招聘信息

一、課題組信息

  深圳大學(xué)黃龍彪研究員長(zhǎng)期從事聚合物材料的微納加工，并應(yīng)用于光電與能源器件，目前以第一作者或共同作者在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials, Nano Energy、Small、Nanoscale、ACS Applied Materials & Interfaces等國(guó)內(nèi)外核心期刊上發(fā)表論文50余篇，長(zhǎng)期擔(dān)任Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials, Nano Energy、Small、Nanoscale、ACS Applied Materials & Interfaces等知名期刊審稿人。目前主持多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、深圳市科技創(chuàng)新委科研項(xiàng)目。

二、研究方向 

（1）軟物質(zhì)功能材料；

（2）聚合物維納制造；

（3）綠色能源技術(shù)。 

三、長(zhǎng)期崗位招聘信息

1. 崗位：博士后；招聘名額：不限；工作內(nèi)容：聘期為2年，專職從事科學(xué)研究。

2. 崗位：碩士研究生；招聘名額：3位/年，其中學(xué)術(shù)碩士1位，專業(yè)碩士2位。 

四、博士后應(yīng)聘條件

1. 國(guó)內(nèi)外高校或研究機(jī)構(gòu)博士畢業(yè)，獲得高分子化學(xué)/物理/材料，、材料科學(xué)、應(yīng)用物理、應(yīng)用化學(xué)、電子等相關(guān)專業(yè)博士學(xué)位，歡迎有企業(yè)工作經(jīng)歷博士申請(qǐng)；

2. 在相關(guān)或相近研究領(lǐng)域已取得一定的研究成果（至少第一作者發(fā)表2篇SCI論文）；

3. 具有良好的學(xué)術(shù)道德和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，能夠獨(dú)立開(kāi)展相關(guān)領(lǐng)域的前沿研究。

五、聘期待遇 

享受深圳大學(xué)博士后待遇，享受深圳大學(xué)相關(guān)社保及公積金。獲聘的研究人員除了深圳大學(xué)的收入外，符合深圳市人才補(bǔ)助條件者可申請(qǐng)深圳市后備級(jí)人才，享有160萬(wàn)元住房補(bǔ)貼；符合海外人才條件人員可申請(qǐng)深圳市孔雀人才計(jì)劃，享有160-200萬(wàn)住房補(bǔ)貼。可以在聘期內(nèi)以項(xiàng)目負(fù)責(zé)人身份以深圳大學(xué)為依托單位申報(bào)國(guó)家自然科學(xué)基金及各級(jí)科研基金項(xiàng)目。符合學(xué)校人事部門政策要求的優(yōu)秀研究人員可申請(qǐng)轉(zhuǎn)為教師崗位。

六、應(yīng)聘者請(qǐng)?zhí)峁┮韵虏牧?/strong>