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  近日，東華大學王宏志教授課題組在可穿戴能源領域取得新進展，相關研究成果以《兩棲能源紗線與紡織品的連續(xù)化與規(guī)模化制備》(“Continuous and scalable manufacture of amphibious energy yarns and textiles”，DOI: 10.1038/s41467-019-08846-2)為題發(fā)表于國際知名學術期刊《自然?通訊》(Nature Communications)。東華大學系論文第一完成單位，東華大學材料學院博士生龔維為第一作者，侯成義副研究員、張青紅研究員、王宏志教授為共同通訊作者。

  隨著可穿戴電子設備的快速發(fā)展，人們對可穿戴能源的需求逐漸增大。由于傳統(tǒng)電池存在缺乏柔韌性、不可拉伸、難以編織等局限性，柔性隨身能源材料與器件發(fā)展獲得了大量關注。目前可穿戴電源的研究多數展示了“佩戴”形式的能源器件，其主要作為服裝的附加品，仍缺乏穿著舒適性。相比之下，服裝本體是現成的物理載體，是更為理想的可穿戴功能集成平臺。鑒于此，研究團隊認為纖維、紗線、織物將成為新一代發(fā)電載體。然而，成熟的發(fā)電技術，如光伏、熱電、壓電/摩擦電等，與服裝材料和紡織工業(yè)的結合尚存在挑戰(zhàn)。目前能源紡織品難以規(guī)模化生產、能源器件的性能易受環(huán)境濕度影響，而且尚缺乏利用單根紗線實現發(fā)電的技術。“能源衣”的開發(fā)仍任重道遠。

  在本工作中，研究人員利用工業(yè)級的紡絲設備實現了可拉伸摩擦發(fā)電紗線的連續(xù)化與規(guī)模化生產。此類發(fā)電紗線由高彈性聚合物材料（橡膠）與螺旋金屬纖維構成，這兩類本征彈性體與非本征彈性體通過皮芯結構的設計合二為一，具有協(xié)同應變行為。發(fā)電紗線在拉伸、彎曲、扭曲等應變下，內部兩類材料間發(fā)生電子轉移，可產生毫瓦級的輸出功率。

發(fā)電紗線的紡制流程與實物照片

  研究人員深入探討了金屬與非晶聚合物接觸/分離的單電極勢阱模型，發(fā)現非晶聚合物不僅作為隔離層防止紗線內場電勢被外界環(huán)境氣氛（氣體、水等）消除，其界面的感應電荷竟能夠與外界氣氛分子發(fā)生耦合增益，由此本工作中首次提出了摩擦發(fā)電器件的電勢/極化耦合效應的假設。借助特殊的皮芯結構設計與耦合增益發(fā)電機制，本工作報道的發(fā)電紗線無需借助與其他物體的相互作用即可自發(fā)電，并能夠應用于不同氣氛環(huán)境甚至是液體中。

單電極勢阱模型與耦合增益發(fā)電機制

  研究人員使用工業(yè)級的織樣機將發(fā)電紗線進行編織得到了具有彈性的發(fā)電織物，其同樣具有兩棲工作的能力。發(fā)電紗線亦可與其他市售纖維如尼龍纖維、聚丙烯腈纖維等共同編織，紡織品的透汽性、舒適性、發(fā)電功率便可有效調控。研究人員穿著發(fā)電織物制成的“能源衣”，展示了其為電子設備鋰電池充電、驅動無線信號傳輸系統(tǒng)、捕捉人體運動姿態(tài)等功能。

發(fā)電織物的編織過程與可穿戴應用演示

  該研究工作得到了中央高校基本科研業(yè)務費學科交叉重點項目、中國科協(xié)青年人才托舉工程、東華大學勵志計劃等基金的大力資助。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-08846-2