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王雙飛院士團隊聶雙喜教授課題組《Adv. Sci.》綜述：先進纖維素摩擦電材料構筑
2023-04-02  來源：高分子科技

  纖維素是自然界中儲量最豐富的大宗生物質資源，具有良好的介電性能和優(yōu)異的機械強度，被廣泛地應用于多功能介電材料的構筑。近年來，研究人員通過改變纖維素材料的化學結構和制備方法，進一步提高了其介電響應和摩擦電性能，大幅拓展了纖維素摩擦電材料在可穿戴設備、人機交互以及自驅動傳感等前沿電子領域的應用前景。在此背景下，深入研究纖維素的介電極化機制并探究其調控規(guī)律對于先進介電材料的開發(fā)具有重要的科學和工程意義。



  近日，王雙飛院士團隊基于纖維素獨特的性能優(yōu)勢和介電潛力，首次提出了通過介電調控構建極化性能增強型纖維素摩擦電材料的創(chuàng)新理念。分別從介電常數、極化機制、介電測量技術等方面為纖維素的介電調控提供了理論基礎，提供了物理結構設計、化學基團修飾以及功能填料選擇等方面的指導性策略，展望了其在高效能量收集、可穿戴電子設備以及阻抗匹配等新興領域的應用進展。


圖1. 基于介電調控的先進纖維素摩擦電材料


  纖維素是地球上最古老的天然聚合物之一，同時也是一種可再生、低成本、可生物降解的天然生物質材料，具有前景廣闊的特性：優(yōu)良的機械性能、易加工性、介電性能、壓電性能和可轉換性。 


圖2. 纖維素的本征優(yōu)勢


  一般而言，介電極化可分為四種類型：電子極化、離子極化、偶極化和界面極化。根據電荷運動的機理，上述極化又可分為三類：外場作用使電子云發(fā)生畸變引起的畸變極化、自由電荷位移引起的位移極化和由外場誘導的轉向極化。不同的極化機制都將使纖維素摩擦電材料呈現不同的介電響應能力。 


圖3. TENG的理論模型和摩擦電材料的極化機制


  由于電子云密度的差異，纖維素的結晶和非晶區(qū)域之間通常存在不同程度的界面極化，這是纖維素摩擦電材料的固有介電特性。而額外負載的填料將在纖維素材料內部產生許多界面區(qū)域，其與纖維素電性能的巨大差異進一步加劇了界面相互作用，增強了界面極化響應。與此同時，介電表征技術也對纖維素摩擦電材料極化性能的探究起著十分關鍵的作用。針對不同類型的材料，需要選擇合適的介電測量手段才能真實地反映其中的極化響應性能。 


圖4. 纖維素納米復合材料的界面模型和介電表征技術


  該項成果以題為“Fabrication of Advanced Cellulosic Triboelectric Materials via Dielectric Modulation”發(fā)表在國際學術期刊《Advanced Science》（IF=17.521）上。碩士研究生杜國立為第一作者，聶雙喜教授為通訊作者。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202206243

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（責任編輯：xu）
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