研究背景
随着可穿戴电子和物联网技术的发展，对可持续能源的需求日益增长。传统的摩擦发电机（TEGs）主要通过线性机械运动产生非持续性的振荡或脉冲电输出。然而，将线性机械运动能转换为可持续电能的技术仍面临挑战。本研究旨在开发一种新型的摩擦电机械超材料（Tribelectric Mechanical Metamaterials, TMMs），以实现线性机械运动能量的持续电能转换和收集。
文章概述
本文介绍了一种由PTFE、铜和PLA三种母材料组成的摩擦电机械超材料。其中，只有PTFE和铜参与摩擦电化，而PLA仅提供机械超材料内外基底的刚性。引入的TMM通过压缩-拉伸循环机械载荷产生可持续的电力。实验表明，随着负载周期的增加，开路电压和短路电荷转移单调增加。通过实验揭示了可持续能量收集的最小组成部分。通过DFT模拟解码了单向电荷传输通道形成背后的机制。开发的TMMs展示了显著的摩擦电表面功率密度、体积功率密度和功率质量比，分别为315.6 mW m−2、365.3 kW m−3和49.26 mW kg−1，远高于之前报道的电可持续摩擦电发电机（4.28 mW m−2和85.4 kW m−3）、压电发电机（9 kW m−3）以及普通电磁发电机（0.25 mW kg−1）。通过在柔性PTFE翅片表面创建线性微结构来改变摩擦电表面，4×1×1 TMM的功率输出可以提高249.6%。未来的工作可以致力于通过物理、化学、生物和混合改性进一步增强TMMs的机电性能。阐明了TMM晶胞数量、晶胞长度和加载速率对电荷转移和电压输出的影响。研究发现，随着晶胞数量N的增加，不仅短路电荷转移量呈线性放大，而且机械能耗散呈二次方增加。通过减小TMM晶胞的尺寸，由于摩擦电表面积的体积密度与晶胞长度成反比，因此可以大大提高体积机电效率，即开路电压、短路电荷转移量和单位体积的能量耗散。这些发现突显了通过先进的微纳制造技术实现极高比电输出，从而最大限度地减小晶胞尺寸的巨大潜力。一系列日常生活应用证明，TMM可以作为车辆悬架系统中的智能阻尼器，因为它们同时为位移输入、能量收集和机械能量耗散功能提供模数信号转换。反直觉的机电行为和大变形下的极端多功能性表明，基于摩擦的TMM是柔性机械超材料的新成员。这项研究为开发下一代一体化多功能电子元件提供了一个框架，如小型化电源模块、模数转换器和智能悬架系统，其中结构化的摩擦电材料作为自感知材料和多功能能量收集器。
该成果以“Multifunctional Triboelectric Metamaterials with Unidirectional Charge Transfer Channels for Linear Mechanical Motion Energy Harvesting”为题发表在权威期刊《Advanced Functional Materials》上。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202416749
图文导读
图1. TMM的设计和制造。
图 2. 发现TMM最小分量的电荷转移机制实验。
图 3. TMM的位移传感、能量收集和机械能量耗散多功能演示。
总结
本文介绍了一种基于铜和PTFE两种摩擦电材料构建的TMMs，该材料能够在宽范围的压缩-拉伸应变下（±50%）实现可持续的电输出。实验结果显示，最大开路电压、短路电流和体积功率密度分别达到3860 V、8 μA和365.3 kW m−3。除了能量收集和机械能耗散，TMMs还能通过计算短路电荷转移或反应力与时间曲线中的独特峰值数量来感知位移。这些特性使得TMMs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应用潜力。
编辑：Molly | 审核：listen
