【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，山東大學(xué)集成電路學(xué)院研究員王凌云與化學(xué)與化工學(xué)院教授于偉泳合作，在可穿戴能量收集及柔性傳感領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。他們成功研制出基于多孔石墨炔復(fù)合材料的摩擦納米發(fā)電機(jī)，相關(guān)成果已發(fā)表于國際權(quán)威期刊《Chemical Engineering Journal》。
這項技術(shù)不僅能夠高效收集環(huán)境中的微小機(jī)械能，還能實(shí)現(xiàn)自供電的多功能傳感，為下一代可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展開辟了新路徑。
科研團(tuán)隊面臨的挑戰(zhàn)是如何開發(fā)出既具有優(yōu)異電學(xué)性能又保持良好柔韌性的可穿戴能量收集材料。傳統(tǒng)材料往往在輸出性能或長期穩(wěn)定性方面存在局限，難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。
王凌云與于偉泳教授聯(lián)合團(tuán)隊創(chuàng)新性地采用簡便的澆鑄和溶劑萃取方法，成功制備出多孔石墨炔/聚偏氟乙烯-六氟丙烯(GDY/PVDF-HFP)以及氧化石墨炔/PVDF-HFP(GDYO/PVDF-HFP)復(fù)合薄膜。
這些薄膜材料具有獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)特性，為高性能可穿戴摩擦納米發(fā)電機(jī)的開發(fā)提供了理想基礎(chǔ)。
這種基于石墨炔復(fù)合材料的摩擦納米發(fā)電機(jī)表現(xiàn)出令人矚目的電氣輸出性能。實(shí)驗數(shù)據(jù)顯示，器件能夠輸出70-80V的開路電壓和12-14 mA/m²的短路電流密度，最大瞬時功率密度可達(dá)4.35 W/m²。
相較于目前大多數(shù)已報道的基于二維復(fù)合材料的摩擦納米發(fā)電機(jī)，這一性能表現(xiàn)顯著更優(yōu)。更為重要的是，經(jīng)過22,000次循環(huán)運(yùn)行測試，器件沒有出現(xiàn)任何性能衰退，展現(xiàn)出卓越的長期穩(wěn)定性。
這一突破性進(jìn)展意味著該技術(shù)不僅輸出能力強(qiáng)，而且耐用可靠，完全滿足實(shí)際穿戴應(yīng)用的需求。
研究團(tuán)隊將這一創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用于多個實(shí)際場景中，展示了其廣泛的應(yīng)用潛力。他們將基于石墨炔復(fù)合材料的摩擦納米發(fā)電機(jī)集成到口罩中，開發(fā)出自供電呼吸傳感器。
這種智能口罩能夠?qū)崟r檢測佩戴者的呼吸狀態(tài)，甚至實(shí)現(xiàn)語音識別功能。當(dāng)固定在手指關(guān)節(jié)處時，傳感器可以通過檢測手指彎曲的時間長短，輸出相應(yīng)的寬峰和尖峰信號，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對摩爾斯電碼的準(zhǔn)確識別。
此外，利用多孔復(fù)合薄膜的獨(dú)特物化特性，該器件還表現(xiàn)出對揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)的檢測能力，拓展了其在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
王凌云和于偉泳教授團(tuán)隊的研究不僅局限于單一器件開發(fā)，還對整個可穿戴化學(xué)傳感器領(lǐng)域進(jìn)行了系統(tǒng)性總結(jié)。
他們在《Science China Materials》期刊上發(fā)表了題為“Revolutionizing healthcare： the next generation of wearable chemical sensors for personal health monitoring”的綜述文章。
文章系統(tǒng)總結(jié)了生物傳感器、濕度傳感器、氣體傳感器和離子傳感器四大類可穿戴化學(xué)傳感器的最新進(jìn)展，深入探討了各類傳感器的材料選擇、器件結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制。
這篇綜述全面概述了當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，指出了面臨的挑戰(zhàn)，并提出了可穿戴化學(xué)傳感器在個人健康監(jiān)測領(lǐng)域的未來發(fā)展方向，為該領(lǐng)域的科研工作提供了重要參考。
隨著這項技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，我們可能會看到內(nèi)置自供電傳感器的智能衣物，它們能夠監(jiān)測穿著者的呼吸、心率和運(yùn)動狀態(tài)，甚至檢測周圍環(huán)境中的有害氣體。
也許不久后，我們的日常口罩將不僅僅是防護(hù)用品，更是個人健康監(jiān)測的第一道防線，實(shí)時分析呼吸模式，預(yù)警潛在健康風(fēng)險。
手指的一個簡單彎曲動作可能不再只是肢體語言，而可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，操控智能設(shè)備，甚至在沒有網(wǎng)絡(luò)的情況下發(fā)送求救信息。
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