隨著萬物互聯(lián)和智慧生活時代的開啟，服務于工業(yè)生產(chǎn)和便捷生活的定制化柔性電子技術得到了快速發(fā)展，人們對于可實現(xiàn)無線傳輸、在線控制、獨立運作的可穿戴自供電設備的呼聲越來越高。近年來，結構靈活性、續(xù)航時間、傳感靈敏度和佩戴舒適度作為可穿戴電子設備性能評估的關鍵指標，正逐漸成為研究人員和產(chǎn)品用戶們的關注焦點。摩擦納米發(fā)電機（TENG）作為一種先進的分布式能量收集技術，在柔性電子和可穿戴設備領域具有廣闊的開發(fā)潛力和研究價值。與常見聚合物材料制備而成的可穿戴電子設備相比，基于纖維素的自供電可穿戴電子設備在柔韌性、透氣性、功能性和佩戴舒適度等方面具有顯著優(yōu)勢。在此背景下，深入探討纖維素自供電可穿戴電子設備的性能調(diào)控策略和材料設計策略具有深遠意義。
近日，聶雙喜教授團隊在最新一期《Nano-Micro Letters》上發(fā)表了題為“Rational Design of Cellulosic Triboelectric Materials for Self-Powered Wearable Electronics”的綜述文章。重點關注了纖維素基可穿戴電子產(chǎn)品在人體能量收集、觸覺傳感、健康監(jiān)測、人機互聯(lián)和智能火災預警等領域的應用；系統(tǒng)討論了表面功能化、界面結構設計、真空輔助自組裝等材料設計方法，為定制設計纖維素基自供電可穿戴電子產(chǎn)品提供了新的視角。
圖1 纖維素基自供電可穿戴電子產(chǎn)品
（一）纖維素摩擦電材料的界面特性
納米纖維素先進材料的加工過程中，原始表面化學和界面相互作用會發(fā)生顯著變化。材料的界面特性對于摩擦電材料的制備起著重要作用，影響著摩擦電材料的極化和擊穿強度等方面的特性。不少人從界面設計的角度出發(fā)，增大界面面積、提高復合材料的介電常數(shù)，從而改善材料的摩擦電特性，起到增強電荷密度或調(diào)控電荷特性的效果。討論自上而下、自下而上和復合材料的界面特性，對于纖維素功能材料（例如結構材料、薄膜、細絲、氣凝膠和泡沫）的摩擦電性能增強具有重要意義，可以更好的在可穿戴領域發(fā)揮作用。
圖2 纖維素摩擦電材料構筑過程的界面屬性
（二）纖維素摩擦電材料的性能調(diào)制
纖維素摩擦電材料的性能調(diào)制對摩擦電輸出的穩(wěn)定性和性能增強具有重要影響。纖維素材料容易在與其他聚合物材料接觸的過程中失去電子，從而呈現(xiàn)弱摩擦電正極性。討論纖維素摩擦電材料的摩擦正極性、摩擦負極性和電荷密度等性能調(diào)制思路，可以進一步幫助制備具有高摩擦電性能和強穩(wěn)定性的材料。
圖3 纖維素摩擦電材料的電荷密度
（三）纖維素自供電可穿戴電子設備的設計策略
近年來，應用于自供電可穿戴傳感器領域的纖維素摩擦電材料的種類逐漸增多，材料設計方法對應于材料的應用而言具有重要意義?？偨Y了纖維素摩擦電材料的合理設計策略，包括表面功能化、界面結構控制、真空輔助自組裝等。
圖4 表面功能化設計策略
（四）纖維素自供電可穿戴電子設備的新興應用
隨著無線網(wǎng)絡時代的發(fā)展，人們對實施可穿戴、便攜式生物電子產(chǎn)品的應用需求不斷增長。通過對纖維素摩擦電材料進行性能調(diào)制和策略調(diào)控，使其在人體能量收集、觸覺傳感、健康監(jiān)測、人機互聯(lián)和智能火災預警等可穿戴電子產(chǎn)品領域有著廣泛應用。
圖5 用于觸覺傳感的自供電可穿戴電子設備
總結：纖維素摩擦電材料具有透氣性好、柔韌性強、易于修飾改性等優(yōu)勢，使其在可穿戴傳感領域有著良好的開發(fā)潛力。從纖維素摩擦電材料制備過程的界面特性、性能調(diào)控、設計策略優(yōu)化等角度展開分析，對應用在人體能量收集、觸覺傳感、健康監(jiān)測、人機互聯(lián)和智能火災預警等領域的先進材料開發(fā)貢獻了一種切實可行的構筑思路，將促使可穿戴電子設備向功能化、便捷化和智能化發(fā)展。
原文鏈接：https://doi.org/10.1007/s40820-023-01094-6
京公網(wǎng)安備11010802046783號
