研究背景
传统的摩擦发电机（TEGs）主要被用于收集直线机械运动的能量，并将其转换为通常为振荡或脉冲式的、但不可持续的电能输出。为解决这一问题，本研究引入了单向电荷传输机制。
文章概述
研究团队开发了一种具有可持续电能输出的摩擦电机械超材料（TMM）。通过密度泛函理论和实验分析，他们验证了仅由两种摩擦电材料（即铜和聚四氟乙烯）制成的TMM产生可持续电能输出所需的三个最小必要组件。在±50%的宽范围压缩-拉伸应变下，该材料实现了3860V的最大开路电压、8μA的短路电流和365.3kW/m3的体积功率密度。与大多数传统蜂窝状固体不同，TMM的机械能耗散随单元数量的增加而二次方增长。当单元尺寸缩小时，可获得高体积机电效率。除了能量收集和机械能耗散外，TMM还能通过计数短路电荷转移或反作用力与时间曲线中的独特峰数来感知位移。TMM的极端机电功能使其在智能悬挂系统、微型绿色电源和自感知能量收集器等领域具有广阔的应用前景。
该项研究以《Multifunctional Triboelectric Metamaterials with Unidirectional Charge Transfer Channels for Linear Mechanical Motion Energy Harvesting》为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202416749。
图文导读
首先，研究人员设计了由内外两部分组成的摩擦电机械超材料，通过周期性往复运动实现电荷转移。随后，他们详细描述了摩擦电机械超材料的单元结构，包括导电层覆盖的刚性尖端和柔性绝缘PTFE鳍片。其次，通过3D打印和激光切割技术，成功制造了摩擦电机械超材料原型。
图1：摩擦电机械超材料（摩擦电机械超材料）的设计与制造：(a) 引入的摩擦电机械超材料所有组件的示意图，其中绿线标记摩擦电机械超材料的外部，而蓝线表示其内部；(b) 摩擦电机械超材料的材料分布基本方案；(c) 摩擦电机械超材料在往复加载循环中的电荷转移机制；(d) 摩擦电机械超材料的制造流程。聚四氟乙烯（PTFE）薄膜的绿色区域是促进电荷转移的摩擦电鳍表面，而白色区域则作为PTFE鳍的延伸并连接到内部基底；(e) 由1×1×1、2×1×1和4×1×1单元制成的多功能摩擦电样品。
随后，研究人员通过实验验证了摩擦电机械超材料能量收集的最小必要组件，包括滑动导电尖端、翻转双面PTFE薄膜和平面接触导电板。随后，他们发现非翻转PTFE薄膜无法实现单向电荷转移。并通过密度泛函理论模拟进一步证实了电荷转移的方向和机制优化干堆叠方法制备超薄膜多层介电弹性体驱动器。图2b展示了超薄膜多层介电弹性体驱动器的横截面光学和SEM图像。通过优化粘结层前体溶液浓度和压合压力，实现了超薄膜间的均匀牢固粘结，使得十层PHDE超薄膜堆叠表现出与单层薄膜相似的应力-应变曲线。
图2：探索摩擦电机械超材料最小组件的电荷转移机制实验：(a) 假设的摩擦电机械超材料最小组件示意图，分别具有(a-i)翻转或(a-iii)非翻转的双面PTFE薄膜；(ii) 为实验装置的照片；(b)和(c) 在开路条件下，正负电极向PTFE薄膜转移的电荷，以及由滑动导电尖端、翻转或非翻转的双面PTFE薄膜以及平面接触导电板组成的摩擦电系统的短路转移电荷与时间曲线；(d) PTFE和铜的密度泛函理论（DFT）模拟模型；(e) 非带电PTFE/带电PTFE与铜之间功函数差（ΔE）的理论预测。显示了铜与非带电PTFE/带电PTFE之间的电荷转移方向。
此外，研究人员在不同加载速率下对摩擦电机械超材料进行了循环加载测试。他们测量了开路电压和短路电流，并观察到了电荷转移随时间线性增加的趋势。通过分析反应力-位移曲线，评估了摩擦电机械超材料的机械能耗散能力。
图3：摩擦电机械超材料的实验设置、电路连接和机电输出：(a)和(b) 测试1×1×1和4×1×1 摩擦电机械超材料从正负电极到PTFE薄膜的短路电荷转移和开路电荷转移的实验设置；(c)和(d)：(i) 反应力-位移曲线，(ii) 开路电荷转移，以及(iii) 1×1×1和4×1×1 摩擦电机械超材料的短路电荷转移与时间曲线。反应力-位移曲线中的阴影区域表示在循环加载期间摩擦电机械超材料耗散的机械能。在一个加载循环中，QSC-t曲线的变化放大图。
接着，研究人员探讨了加载速率、单元数量和长度对摩擦电机械超材料电机械性能的影响。他们发现增加加载速率可以显著提高开路电压和短路电流。通过公式推导，揭示了摩擦电机械超材料机械能耗散与单元数量的非线性关系。
图4：摩擦电机械超材料的机电性能：(a) 4×1×1和1×1×1 摩擦电机械超材料的开路电压与循环次数曲线；(b) 1×1×1和4×1×1 摩擦电机械超材料的短路电流与时间曲线；(c) 4×1×1 摩擦电机械超材料在1000000次加载循环下产生的开路电压（VOC）的时间历程。首次和最后2000秒的VOC时间历程被放大显示；(d) 在两种不同加载速率下，由不同单元数组成的摩擦电机械超材料在一个加载和卸载循环中的机械能耗散、最大短路电流和最大开路电压；(e) 4×1×1 摩擦电机械超材料的输出电流、电压和峰值功率对外部电阻的依赖性。
研究人员制造了不同单元尺寸的摩擦电机械超材料样品，并测试了它们的电机械性能。他们发现减小单元尺寸可以显著提高能量收集效率和机械能耗散能力。通过对PTFE表面进行改性，进一步增强了摩擦电机械超材料的性能。
图5：单元尺寸和材料改性对摩擦电机械超材料机电性能的影响：(a) b=10、15、20和30mm的4×1×1 摩擦电机械超材料照片；(b) 单元尺寸对机械能耗散、开路电压和每体积短路电荷转移量的影响；(c) PTFE表面改性前后的显微照片；(d) 使用200目和600目砂纸对PTFE表面进行改性对PTFE/铜界面的摩擦系数、能耗散、开路电压、短路电荷转移量以及具有10GΩ外部电阻的电压和电流输出的影响
最后，研究人员展示了摩擦电机械超材料在智能悬挂系统中的应用，实现了位移感测、能量收集和机械能耗散的多功能集成，摩擦电机械超材料成功点亮了多个LED灯，展示了其能量收集能力。
图6：摩擦电机械超材料的位移感测、能量收集和机械能耗散多功能演示：(a) 包含4×1×1 摩擦电机械超材料作为智能阻尼器的智能悬挂系统的示意图；(b) 摩擦电机械超材料的位移感测功能演示。呈现位移加载历史，并与两种A/D转换位移预测方法进行比较。（反应力与时间曲线中的峰值数和短路电荷转移量与时间曲线中的下降数在每个位移周期中标记。）(c) 摩擦电机械超材料作为A/D信号转换器的位移感测过程示意图；(d) 显示用于识别位移方向改变的短路电荷转移量与时间曲线的特征曲线形状；(e) 4×1×1 摩擦电机械超材料在10mm/s压缩-拉伸循环加载下不同最大位移的FR-D曲线。反应力与时间图中的阴影区域显示了能耗散量；(f) 对于10mm/s压缩-拉伸循环加载，能耗散（ED）与最大位移（Dmax）之间的关系；(g) 通过在4.5Hz压缩-拉伸循环加载下点亮250个LED来演示摩擦电机械超材料的能量收集能力。
总结
研究人员开发了仅由聚四氟乙烯（PTFE）、铜和聚乳酸（PLA）三种基础材料组成的摩擦电机械超材料。PTFE和铜负责摩擦起电，而PLA仅提供摩擦电机械超材料内外基板的刚性。这些摩擦电机械超材料以最少的材料数量实现了可持续的电能输出，据研究人员所知，这是目前实现这一目标所需材料数量最少的方案。通过增材制造和粘合剂背膜粘合技术，研究人员制造了相对密度为0.279的轻质摩擦电机械超材料。在高达±50%的压缩-拉伸应变范围内，摩擦电机械超材料通过柔性绝缘鳍片与正极之间的摩擦接触以及鳍片的塑性变形实现了机械能耗散。研究表明，通过减小单元尺寸，可以显著提高摩擦电机械超材料的机械效率，包括开路电压、短路电荷转移量和单位体积能耗散。这些发现强调了利用先进的微纳制造技术最小化单元尺寸以实现极高比电输出的潜力。通过一系列日常生活应用演示，摩擦电机械超材料可作为车辆悬挂系统的智能阻尼器，同时实现位移输入的模数信号转换、能量收集和机械能耗散功能。这种基于摩擦的摩擦电机械超材料展现出反直觉的电机械行为和在大变形下的极端多功能性，成为柔性机械超材料的新成员。这项研究为开发下一代集成多功能电子元件（如微型电源模块、模数转换器和智能悬挂系统）提供了框架，其中结构化摩擦电材料作为自感知材料和多功能能量收集器。
编辑：猫学长 | 审核：Wei
