近年來，柔性軟測量技術的蓬勃發展推動了柔性可穿戴電子產品的飛速普及，實現了人體運動和生理參數的有效測量，重塑了人類的生活方式。特別地，摩擦納米發電機(TENG)是一種基于摩擦電和靜電感應耦合效應的自供電傳感裝置。由于其制作簡單、無需外界供電，其在生物醫學和可穿戴健康監測等領域具有廣闊的應用前景。然而基于高分子基體和導電物質的自供電傳感器仍存在諸多局限性，其中限制自供電傳感器進一步工程應用的主要瓶頸是脆弱的力-電性能。傳統的柔性器件在動態沖擊載荷下，其結構和傳感性能往往會受到破壞，且沖擊動能也會傷害到穿戴者本身。雖然已有部分工作開始嘗試提高柔性器件的抗沖擊性能和電學穩定性，但相關材料的力學強度可控范圍較小，目前仍無法有效抵御尖銳物體的沖擊傷害。因此選擇高性能相變材料開發可變剛度的自供電多功能傳感器才能夠有效抵御復雜應力載荷，實現有效傳感監測的同時起到保護人體免受傷害的作用，從而在個人健康管理和術后康復運動治療等領域創造重要應用價值。
澳大利亞伍倫貢大學和中國科學技術大學的研究者，通過將低毒性液態金屬相變材料、抗沖擊剪切變硬彈性體和電熱鋁箔相集成，開發了一種多功能摩擦納米發電機(LM-TENG)。首先，其在15 Hz和40 N的頻率和載荷下，LM-TENG最大輸出功率為55.16 μW（外接9 M?電阻），表現出良好的能量捕獲能力。其次，基于優良的Joule熱效應，LM-TENG在施加1.5 V電壓后，其表面溫度可高達69.02 ℃。這能為穿戴者提供必要的熱防護。此外，LM-TENG能夠將沖擊載荷從2.86 kN耗散至0.72 kN，表現出優良的抗沖擊防護性能。更重要的是，通過Joule熱效應可實現液態金屬的“液-固”轉換，從而大幅度調節器件的等效剛度，最終證明LM-TENG能夠有效抵御包括鈍物沖擊、刀割和針刺等諸多傷害。最后，開發了集焦耳熱效應，可控剛度，自供電傳感和抗沖擊等性能于一體的智能醫用石膏，研究了其力-熱-電耦合性能，為該智能可穿戴電子設備服務于生物醫學和康復診斷提供了一種新的可能。相關研究近日以“Liquid metal based triboelectric nanogenerator with excellent electrothermal and safeguarding performance towards intelligent” 為題發表于《Nano energy》，論文第一作者為澳大利亞伍倫貢大學博士研究生龔立平，通訊作者為澳洲伍倫貢大學的李衛華教授和中國科學技術大學的王勝副教授。
本研究以硼酸和羥基硅油為原料制備得到剪切變硬彈性體，并將其與銦鉍錫合金和鋁箔進行封裝得到LM-TENG。流變學測試表明，剪切變硬彈性體在剪切應變從1%到100%的過程中，儲能模量在經過了臨界點后急劇下降，體現出從線性粘彈性階段到非線性粘彈性階段的過渡。由于聚合物自身的率相關性，隨著振蕩剪切頻率從0.1Hz增加到100 Hz，其儲能模量與損耗模量分別呈現出不同的變化趨勢且改變了幾個量級，表現出了良好的剪切變硬特性。
通過兩種不同摩擦極性的材料在接觸-分離的過程中的電子得失，實現摩擦納米發電機(TENG)的作用。在動態機械分析儀(DMA)上測試了能量收集能力，通過改變負載電阻獲得輸出電壓信號和電流信號。當負載電阻的阻值為 104 Ω時，LM-TENG 產生的電壓低至 0.05 V，而當電阻大于 106 Ω 時兩端電壓逐漸上升，最終在 109 Ω 時達到 40.81 V。作為電源，LM-TENG可以通過整流電路有效地為商業電容器充電。例如，0.47μF的電容器可以在15 s內達到8.26 V的電壓，表現出良好的可循環充放電性能。
探究了可穿戴 LM-TENG 電子器件在不同負載電壓下的焦耳熱性能。當電壓從 1 V 增加到 3 V 時，LM-TENG 的最高飽和溫度從 46.4 ℃ 迅速上升到 173.0 ℃。此外，還研究了電熱性能的可重復性。 在施加的電壓分別為 2 V 和 3 V 的20次開-關-開后，LM-TENG 仍保持穩定的熱性能（LM-TENG 的表面溫度分別約為 50 和 75 ℃）。此外，LM-TENG 的溫度在 86.8 ℃ 左右達到飽和，即使在施加恒定電壓超過 30 分鐘后也能保持穩定，證實了長時間加熱的可靠性和耐久性。紅外熱成像相機顯示，在 1 到 3.5 V 的電壓下，LM-TENG 的溫度從 25℃可以持續上升到 110.7 ℃。LM-TENG 所體現的焦耳熱效應，證明了其在熱理療康復領域的應用價值。
準靜態擠壓測試與動態刀頭沖擊試驗分別在萬能拉壓試驗機(MTS)和落錘實驗平臺上進行。從不同的高度釋放刀具質量塊，被刺穿的參考紙的數量有效地量化了背襯材料被穿透的深度，從而評估破壞的嚴重性。LM-TENG在循環載荷下呈現出更好的可靠抗沖擊性能。例如，當刀具的下落高度為100 mm時，SSE下方的參考紙被完全破壞，而在LM-TENG的保護作用下，刀具在從500 mm處釋放時參考紙才被完全穿透。在相同的沖擊能量下，LM-TENG減少了背襯材料之間的穿透層數。這是因為內部具有一定機械強度的液態金屬能夠提高SSE材料的抵抗破壞能力。液態金屬的有效壓縮模量比純SSE高3個數量級。簡言之， LM-TENG可以承受更多的沖擊載荷，表現出顯著的沖擊防護性能。
新型智能材料的應用在生物醫學和醫療診斷領域取得了巨大的成功。它為許多疾病的治療和病人的康復帶來了極大的便利。骨折患者在康復階段往往需要使用石膏輔助固定，雖然石膏的固定能促進骨骼生長，但也會使病人感到痛苦與不便。同時，病變部位有時會產生疼痛，但石膏不能給予相應的治療。不僅如此，患者后期也需要通過運動逐步康復，而石膏的拆除和安裝相對復雜，醫生也很難評估患者的運動狀況和病變恢復情況。基于目前的研究現狀所設計出的具有焦耳加熱、剛度可控、自供電感應和抗沖擊性能的LM-TENG作為智能石膏，在評估骨折患者佩戴舒適度以及康復程度方面顯示出巨大的潛力。
本工作通過將剪切變硬彈性體與液態金屬和鋁箔進行封裝，開發出一種多功能的基于液態金屬的摩擦納米發電機，具有良好的能量收集能力、顯著的電熱性能以及在沖擊條件下優異的防護表現，并在此基礎上進行設計探索，研究了作為新型智能醫用石膏的可能性，體現了它為多功能傳感器和智能可穿戴電子設備蓬勃發展的道路上帶來富有創造性改變的潛力。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108280
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