原创 Cell Press CellPress细胞科学
物质科学
Physical science
基于摩擦起电和静电感应原理的摩擦纳米发电机（TENG），环保设备可以将环境中的机械能高效地转化为电能，并且具有质量轻、体积小、材料选择广泛、结构简单、易安装、免维护等特点，其多样化的工作模式可以适应不同的工作场景，这使得其可以作为微/纳能源，将生物体和环境中的机械能转换成电能。本论文合辑集中展示了发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter和Cell Reports Physical Science上关于摩擦纳米发电机（TENG）的优秀研究成果。
论文精选
Omnidirectional water wave energy harvesting by a spherical triboelectric nanogenerator with sliced-pizza-shaped electrodes
华南理工大学物理与光电学院吴昊教授团队提出了一种用于全方向波浪能收集的球形摩擦纳米发电机（SP-TENG），其具有多层“切片披萨形”电极，可以高效地从所有方向收集波浪能。器件的每层结构中，对角方向的扇形部分构成了TENG单元，无论触发方向如何，所有TENG单元都同时工作，形成合并输出，保证了在各方向上波浪能的高效收集。此外，该器件采用聚丙烯纤维作为摩擦层材料，进一步提高了摩擦层与摩擦球之间的接触效率，增强了器件整体的电荷输出。通过充分利用SP-TENG器件内部的可用空间和摩擦表面，实现了最大化的电能输出。在0.6 Hz的超低频率下，该器件在任何方向触发下均可实现约2.4 mC/m3的体积电荷输出和13 W/m3的峰值功率输出，该结果为现有全方向波浪能量收集器件输出报道的最高值。该器件可以在真实水波的驱动下点亮500个LED小灯，以及驱动用于监测温度和湿度的无线传感系统。相关成果发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上。（）
Moisture-controlled triboelectrification during coffee grinding
咖啡豆在研磨过程中会产生静电，导致咖啡颗粒聚集在一起，黏在研磨机上。发表于Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上的一项新研究显示，含水分较高的咖啡豆产生的静电更少，这意味着咖啡的浪费更少，需要清理的杂物也更少。这种效果可以通过在咖啡豆研磨前加入少量水来模拟。研究小组还发现，在咖啡里加点水研磨，浓缩咖啡的口感更稳定、更浓。美国俄勒冈大学计算材料化学家、论文通讯作者Christopher Hendon说：“水分，无论是烘焙咖啡内部的残余水分，还是研磨过程中添加的外部水分，都决定了研磨过程中形成的电荷量。水不仅可以减少静电，还可以对饮料的强度产生重大影响，并可能帮助获得更高浓度的风味。”
Integrated wearable smart sensor system for real-time multi-parameter respiration health monitoring
近年来，实时监测呼吸及肺部状态能够完成疾病辅助诊断，有效缓解医疗系统的压力。本文提出了一种基于摩擦纳米发电机的集成可穿戴智能呼吸监测传感器（RMS）系统，此系统具有多参数提取、人工智能辅助疾病诊断、医疗终端数据云处理和便携化实时显示等功能。超轻量RMS系统（7.3 g）结合嵌入手机应用中的智能分析和数据挖掘算法，可实时获取呼吸频率（RR）、呼吸暂停低呼吸指数（AHI）、肺活量（VC）、呼气峰值流量（PEF）等自校准参数，检测准确率高达95.2%；同时，能够无线传输数据至用户云终端进行实时健康监测、异常报警、紧急呼救等多种功能。此系统通过综合分析多种呼吸参数，能够有效监测和辅助诊断睡眠呼吸暂停、鼻炎、慢性肺病等呼吸类疾病。杭州电子科技大学电子信息学院硕士研究生李颖哲为论文第一作者，刘超然副教授、董林玺教授、西安交通大学赵立波教授和佐治亚理工学院王中林院士为共同通讯作者。相关成果发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上。
Radical anion transfer during contact electrification and its compensation for charge loss in triboelectric nanogenerator
中国科学院北京纳米能源与系统研究所陈翔宇研究员和王中林院士首次发现在大气环境下，逃逸的电荷可以通过阴离子在接触界面的选择性转移得到补偿，从而获得超高的电荷密度。基于此，研究团队通过萘自由基阴离子来蚀刻PTFE以制备离子化PTFE（I-PTFE），其在体相中包含有一定量的的萘钠络合离子（[NaNaph]）。在大气环境和室温条件下，I-PTFE作为正摩擦电元件，电晕极化后的氟化乙烯丙烯（FEP，15 µm）作为负摩擦层材料组成TENG在接触分离模式获得了525 µC·m-2的摩擦电荷密度，在滑动模式下这个值可以超过1.2mC·m-2，该值是迄今为止在常温常压下摩擦起电薄膜的最高记录，甚至高于此前计算的空气击穿阈值。使用这种I-PTFE薄膜，滑块尺寸为1cm2的TENG可以轻松点亮360个LED。这项研究为提升TENG输出性能开辟了一个全新的方向，并为全面理解物体接触起电的微观机理带来了革命性进展。作为实际应用验证，研究团队制备了多种应用于不同场景的功能性器件，其具有很高的输出性能和耐久性。研究人员预期，基于这项研究，可以在摩擦电材料的生产以及TENG的具有多样化应用方面带来一系列新的突破。相关成果发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上。
A transparent, flexible triboelectric nanogenerator for anti-counterfeiting based on photothermal effect
燕山大学焦体峰教授及青年教师马金铭、中国科学院北京纳米能源与系统研究所曹霞教授，通过简单的方法制备了一种聚丙烯酰胺（PAM）-琼脂糖（agar）-硼砂单宁修饰的BP（TABP）的多功能复合水凝胶基TENG（Hy-TENG）用于机械能收集和防伪。所制备的复合水凝胶具有优异的柔韧性、导电性、拉伸性、透明度和光热性能。基于TABP的光热特性，在红外（IR）光的控制下，柔性Hy-TENG可以触发打印在A4纸上的感温油墨显示不同的颜色变化，实现红外防伪。相关成果发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上。
Triboelectric performances of biodegradable polymers
生物可降解高分子（BPs）是制备植入式可降解电子医疗器件（IBMEDs）的基本材料。BPs可用于制备IBMEDs的封装层、基底和传感材料，以及植入式摩擦纳米发电机（TENGs）的摩擦电材料。材料的基本特性决定了IBMED的性能和应用。然而，很少有研究在基于种类较全面的BP基础上，比较它们的基本特性，特别是摩擦电性能方面。因此更缺乏关于其摩擦电序的规律性、原理性研究。研究和比较BPs的摩擦电性能，并建立较全面的BPs摩擦电序，不仅有助于研究人员深入认识高分子摩擦起电的潜在机制，而且对于选择摩擦电极性差异较大的BPs制备基于高输出性能TENG的IBMEDs具有重要的指导意义。中国科学院北京纳米能源所李舟团队建立了基于四十种生物可降解高分子（BPs）膜材料的摩擦电序，并创新性地总结了多种主链或侧链化学基团、材料特能对BP摩擦电极性的影响规律及相关原理。相关成果发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上。
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