納米科學(xué)家已經(jīng)生產(chǎn)出一種可穿戴紡織品，可以編織成衣服，并將穿戴者的彎曲、伸展和其他身體運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，并儲(chǔ)存該能量。這種織物可能具有廣泛的應(yīng)用，從醫(yī)療監(jiān)測(cè)到協(xié)助運(yùn)動(dòng)員和他們的教練跟蹤他們的表現(xiàn)，以及服裝上的智能顯示。這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)于6月1日發(fā)表在《Nano Research Energy》上的一篇論文中描述了它的工作原理。
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從智能手表到無線耳機(jī)，人們已經(jīng)可以接觸到各種各樣的可穿戴電子設(shè)備。一系列健康、運(yùn)動(dòng)和活動(dòng)監(jiān)測(cè)器現(xiàn)已集成到智能手機(jī)中。
但是，由于可以放置在身體上或身體附近的位置很少，因此此類傳感器的準(zhǔn)確性仍然有限，并且與許多健康和運(yùn)動(dòng)專家對(duì)此類技術(shù)的雄心相比，其應(yīng)用范圍也很有限。未來，如果能夠開發(fā)出先進(jìn)的面料，那么集成到襯衫、褲子、內(nèi)衣和帽子中的可穿戴電子設(shè)備或許能夠追蹤虛弱指標(biāo)，以評(píng)估與年齡相關(guān)的疾病的風(fēng)險(xiǎn)，監(jiān)測(cè)皮質(zhì)醇水平以追蹤壓力水平，甚至檢測(cè)病原體，成為全球大流行監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的一部分。
要想將可穿戴電子產(chǎn)品提升到一個(gè)新的水平，將健康監(jiān)測(cè)器、運(yùn)動(dòng)傳感器、導(dǎo)航系統(tǒng)和活動(dòng)追蹤器以一種輕便、不顯眼和不那么笨重的方式集成到服裝中，仍然需要在先進(jìn)紡織品方面取得一些重大突破。
現(xiàn)有可穿戴電子產(chǎn)品的挑戰(zhàn)之一來自于為設(shè)備提供能量的組件的靈活性和可穿戴性的限制。此外，能源供應(yīng)單元需要易于與設(shè)備集成，并且在環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)的時(shí)代具有可持續(xù)性。最重要的是，現(xiàn)有的儲(chǔ)能技術(shù)容量非常有限。電池和超級(jí)電容器可以儲(chǔ)存能量，但它們不能在沒有外部電源的情況下自發(fā)產(chǎn)生能量。
“電池佩戴起來也不是很舒服，”該論文的第一作者、中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與納米系統(tǒng)研究所的納米系統(tǒng)專家Feifan Sheng說。“因此，可穿戴和自充電電源的開發(fā)至關(guān)重要。”
董教授的納米科學(xué)家團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)了他們所謂的“纖維-TENG”，這是一種靈活的、可編織的、可穿戴的結(jié)構(gòu)，它利用了摩擦電效應(yīng)，即某些材料在與另一種不同材料摩擦接觸后會(huì)帶電。例如，常見的靜電涉及摩擦起電效應(yīng)的接觸感應(yīng)帶電。
纖維-TENG由三層組成：聚乳酸層（一種常用于 3D 打印的聚酯）、還原氧化石墨烯層（一種價(jià)格低廉的石墨烯）和聚吡咯層（一種已廣泛用于電子和醫(yī)藥的聚合物）。
當(dāng)纖維-TENG受到機(jī)械變形時(shí)，例如穿著由紡織品編織的衣服的人彎曲或拉伸時(shí)，聚乳酸和還原氧化石墨烯層之間接觸產(chǎn)生的摩擦電荷可以被聚吡咯層收集。該過程產(chǎn)生可用作發(fā)電單元的電輸出。
纖維-TENG開發(fā)的關(guān)鍵是一種新工藝，用于制備用于同軸纖維狀超級(jí)電容器（纖維-SC）的氧化石墨烯纖維——集成到紡織品中的儲(chǔ)能設(shè)施。同軸結(jié)構(gòu)在彎曲和扭曲時(shí)提供了極大的穩(wěn)定性。
該過程包括將活性材料（那些可以儲(chǔ)存和釋放電能的材料）添加到還原氧化石墨烯 (rGO) 纖維的表面。首先，研究人員通過使用氫碘酸生產(chǎn)氧化石墨烯纖維。然后，他們將兩種活性材料——二氧化錳(MnO2)和聚吡咯(PPy)——添加到氧化石墨烯纖維的表面，這一過程被稱為電沉積——一種通過施加電流將材料沉積到表面的方法。
這產(chǎn)生了一種稱為 rGO-PPy-MnO2 的負(fù)電極材料，用于纖維-SC。然后通過在 rGO-PPy-MnO2 表面均勻涂覆多壁碳納米管 (MWCNT) 和聚乙烯醇和磷酸電解質(zhì)制成正極材料。
研究人員測(cè)試了他們的纖維-TENG 紡織品，發(fā)現(xiàn)它在充電和放電循環(huán)中具有高能量密度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，增強(qiáng)了其在提供可穿戴能量生成和存儲(chǔ)方面的前景。
