前沿 | 3d打印摩擦纳米发电机，有了它再也不用担心可穿戴设备没电了！
发表时间：2018/11/29
近日，东华大学材料科学与工程学院游正伟教授-俞昊教授团队在摩擦纳米发电机（teng）领域取得重要进展。该团队利用3d打印技术实现了teng的定制化、绿色化开发，为其在可穿戴领域的应用提供了广阔前景。
teng是由佐治亚理工学院王中林院士于近年提出的将环境机械能高效转化为电能的技术。这种新兴的技术为利用生物机械能构建自驱动可穿戴电子设备提供了一种全新的解决方案，但是目前teng通常需要各部分分别制备然后组装，较难构筑不规则形状，限制了其应用。
为了解决这一难题，游正伟教授团队基于新近发展的热固性材料3d打印新技术，构筑了具有三维立体多孔结构的摩擦纳米发电机（3dp-teng）。该3dp-teng利用聚癸二酸甘油酯（pgs）为热固性弹性基材和一种摩擦材料，碳纳米管（cnts）分散其中构成导电网络和另外一种摩擦材料。制备中以pgs预聚物、cnts和盐粒为打印墨水。其中盐粒是关键，作为增强剂保证打印固化成形，同时作为致孔剂获得了多孔结构，每个微孔相当于一个摩擦纳米发电机。当被挤压时，微孔上下管壁接触，pgs和cnts之间由于对电子束缚能力的不一样，在接触时二者间发生电荷转移。由于3dp-teng是弹性的，因此外力撤去时，微孔恢复原状，电荷被分离在上下管壁的pgs和cnts中，从而在cnts与大地之间产生电势差，加上外导线就构成了电流。大量的微孔协同工作，从而获得了良好的摩擦发电效能。
由于是3d打印一体成形，3dp-teng可以根据需要方便地定制。研究团队根据人体工学打印了三维鞋垫，穿上步行时可以有效点亮led灯和对电子表进行充电。而3d打印的“指环”状器件则可以根据输出的电信号，方便地监控手指的弯曲，感知弯曲的频率和角度。
该工作还有一个突出的亮点是该3dp-teng是一个全生命周期环境友好型的电子设备。基体材料聚合物pgs由生物基的癸二酸和甘油缩聚而得，利用增材制造构筑，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为生物相容的癸二酸和甘油；cnts则可以方便地回收再利用，性能保持不变。
该项研究发展了一种新颖的策略，实现了摩擦纳米发电机的3d打印一体成形。可以根据需要打印各种形状，在可穿戴设备上具有广阔的应用前景。
（来源：东华大学材料科学与工程学院）
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