納米科學家已經(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、伸展和其他身體運動轉化為電能，并儲存該能量。這種織物可能具有廣泛的應用，從醫(yī)療監(jiān)測到協(xié)助運動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。這個研究團隊于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，人們已經(jīng)可以接觸到各種各樣的可穿戴電子設備。一系列健康、運動和活動監(jiān)測器現(xiàn)已集成到智能手機中。
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確性仍然有限，并且與許多健康和運動專家對此類技術的雄心相比，其應用范圍也很有限。未來，如果能夠開發(fā)出先進的面料，那么集成到襯衫、褲子、內衣和帽子中的可穿戴電子設備或許能夠追蹤虛弱指標，以評估與年齡相關的疾病的風險，監(jiān)測皮質醇水平以追蹤壓力水平，甚至檢測病原體，成為全球大流行監(jiān)測網(wǎng)絡的一部分。
要想將可穿戴電子產(chǎn)品提升到一個新的水平，將健康監(jiān)測器、運動傳感器、導航系統(tǒng)和活動追蹤器以一種輕便、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，能源供應單元需要易于與設備集成，并且在環(huán)保意識增強的時代具有可持續(xù)性。最重要的是，現(xiàn)有的儲能技術容量非常有限。電池和超級電容器可以儲存能量，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、中國科學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)至關重要。”
董教授的納米科學家團隊生產(chǎn)了他們所謂的“纖維-TENG”，這是一種靈活的、可編織的、可穿戴的結構，它利用了摩擦電效應，即某些材料在與另一種不同材料摩擦接觸后會帶電。例如，常見的靜電涉及摩擦起電效應的接觸感應帶電。
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）。
當纖維-TENG受到機械變形時，例如穿著由紡織品編織的衣服的人彎曲或拉伸時，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)的關鍵是一種新工藝，用于制備用于同軸纖維狀超級電容器（纖維-SC）的氧化石墨烯纖維——集成到紡織品中的儲能設施。同軸結構在彎曲和扭曲時提供了極大的穩(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制成正極材料。
研究人員測試了他們的纖維-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期穩(wěn)定性，增強了其在提供可穿戴能量生成和存儲方面的前景。
