【Nano Letters】通過拉普拉斯壓力差驅(qū)動的定向吸濕的摩擦電材料 https://mp.weixin.qq.com/s/DBDhm6HaXmoNTMqncUbOkg
01. 研究背景
可穿戴傳感器在人機交互、健康監(jiān)測系統(tǒng)和人體運動監(jiān)測領域蓬勃發(fā)展，使用舒適性已成為可穿戴傳感設備的重要研究方向之一。然而，傳感材料的弱定向吸濕能力導致液體滯留，嚴重制約了可穿戴傳感器的舒適性，導致人體無法適應長期穿戴使用，極大限制了傳感器在實際生活中的普及使用。尤其對于接觸式的可穿戴傳感器，液體滯留會限制電子的遷移，導致傳感基材電信號輸出失真。因此，為傳感材料提供充足的定向吸濕驅(qū)動力具有重要的意義。
02. 文章概述
近日，王雙飛院士團隊通過圖案引導對準策略，構(gòu)建了微山丘陣列，賦予了摩擦電材料定向排濕能力。在拉普拉斯壓力差和潤濕性梯度的驅(qū)動下，摩擦電材料可以在2.25 秒內(nèi)快速定向去除液滴。 定向吸濕排汗摩擦電材料表現(xiàn)出優(yōu)異的壓力傳感性能，能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應/恢復（29.1 ms/37.0 ms），從而實現(xiàn)人體呼吸和運動狀態(tài)的實時在線監(jiān)測。該成果以題為“Directional Moisture?Wicking Triboelectric Materials Enabled by Laplace Pressure Differences”發(fā)表在自然指數(shù)期刊《Nano Letters》上，王志偉副教授和2022級本科直博生鄒雪蓮為共同第一作者，聶雙喜教授為通訊作者，劉濤、朱云鵬、吳迪、白亞宇、杜國立、羅斌、張松、遲明超、劉艷華、邵宇正、王金龍參與研究。
03. 圖文導讀
1、定向吸濕摩擦電材料的設計
定向排濕摩擦電材料由區(qū)域性分布的疏水性PTFE顆粒，親水層PAN納米纖維膜和MXene層共同組成。其中，疏水PTFE顆粒在微山丘陣列周圍，形成了不對稱潤濕性的表面。得益于微山丘陣列的結(jié)構(gòu)梯度形成了可以定向輸送液滴的拉普拉斯壓力差。由于拉普拉斯壓力差和潤濕性梯度的耦合作用，本研究顯著縮短了材料的定向除濕時間。將定向排濕摩擦電材料組裝成自供電的可視化呼吸狀態(tài)監(jiān)測裝置，可應用于運動狀態(tài)識別。
圖1 基于定向排濕摩擦電材料的呼吸狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)
2、定向吸濕摩擦電材料的制備策略
通過圖案引導排列和高電位富集策略構(gòu)建定向吸濕摩擦電材料。PAN納米纖維帶正電，而金屬捕集器帶負電，金屬捕集器上的凸起具有較高的電勢，優(yōu)先引導纖維富集。當富集到一定厚度形成靜電屏蔽時，PAN納米纖維將隨機分散。通過上述簡單的步驟，可以成功制備出具有微山丘陣列的納米纖維膜。微山丘陣列交錯分布，邊高約70μm，脊清晰可見。為了實現(xiàn)PTFE顆粒的區(qū)域分布，依托金屬捕集器作為掩模，采用均勻噴涂方法對PTFE顆粒進行噴涂。
圖2 定向排濕摩擦電材料的制備及表面形貌
3、摩擦電材料的定向吸濕能力及機理
定向排濕摩擦電材料的三層材料具有明顯的潤濕性梯度差。從實時的液面高度變化可以看出，液滴在1.13 s內(nèi)已經(jīng)穿透定向吸濕摩擦電材料，2.25 s液滴被排走。摩擦電材料的定向吸濕驅(qū)動力來自微山丘陣列產(chǎn)生的拉普拉斯力壓力差和潤濕性梯度差異力。在定向吸濕摩擦電材料的背面，液滴始終無法滲透。定向吸濕摩擦電材料可瞬間（≤1秒）吸收穿著者皮膚上的模擬汗液，并在15分鐘后自然風干，為穿著者皮膚提供干燥舒適的微環(huán)境。
圖3 定向排濕摩擦電材料的單向透水性能
4、定向吸濕摩擦電材料的傳感性能
具有微觀結(jié)構(gòu)特征的表面形貌可以有效提高摩擦電材料的應力傳感性能。微山丘陣列是軟凸結(jié)構(gòu)，在很小的力作用下會響應外界壓力發(fā)生形變。傳感器的響應時間和恢復時間分別為 29.1 ms 和 37.0 ms，能夠在短時間內(nèi)實現(xiàn)及時的應力反饋。電壓信號僅受應力強度的影響，并且在任何應力值下和不同頻率下都能保持穩(wěn)定的輸出。微山丘陣列結(jié)構(gòu)通過10,000次循環(huán)實驗被證明具有優(yōu)異的傳感穩(wěn)定性，滿足人類日常的大部分需求。
圖4 定向排濕摩擦電材料的自供電傳感性能
5、定向吸濕摩擦電可穿戴傳感器
定向吸濕排汗摩擦電材料通過合理設計組裝到口罩中，隨著人類呼吸運動產(chǎn)生周期性接觸分離。同步檢測的電壓輸出電信號完全還原了一個完整的呼吸過程。當志愿者佩戴口罩時，口鼻呼吸微環(huán)境相對濕度高達90%以上，傳感器仍能保持穩(wěn)定的摩擦電信號輸出。通過連接藍牙模塊，傳感器可以實現(xiàn)無線監(jiān)測志愿者運動時的呼吸。此外，它還可以實時檢測志愿者在靜止、慢走、跑步等不同速度下的運動狀態(tài)。在未來的智能時代，定向吸濕摩擦電自供電傳感器將擁有更廣闊的的應用需求空間。
圖5 用于檢測呼吸狀態(tài)的可穿戴傳感器
04. 結(jié)論
本研究制備了具有定向吸濕和傳感特性的摩擦電材料，并將其應用于復雜的口鼻呼吸傳感系統(tǒng)。由于拉普拉斯力差異和潤濕性梯度的協(xié)同效應，水滴被超快地泵送通過摩擦電材料（1.13 s）并被排出（2.25 s）。定向吸濕自供電傳感器在相對濕度高達90%以上的口鼻呼吸微環(huán)境，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的電信號輸出和不同呼吸狀態(tài)的有效感知。該研究工作為可穿戴傳感器的設計提供了新的思路，也為復雜環(huán)境條件下傳感器的設計提供了參考解決方案。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01962