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王雙飛院士團(tuán)隊聶雙喜教授課題組《Adv. Sci.》綜述：先進(jìn)纖維素摩擦電材料構(gòu)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(zhì)資源，具有良好的介電性能和優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，被廣泛地應(yīng)用于多功能介電材料的構(gòu)筑。近年來，研究人員通過改變纖維素材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和制備方法，進(jìn)一步提高了其介電響應(yīng)和摩擦電性能，大幅拓展了纖維素摩擦電材料在可穿戴設(shè)備、人機(jī)交互以及自驅(qū)動傳感等前沿電子領(lǐng)域的應(yīng)用前景。在此背景下，深入研究纖維素的介電極化機(jī)制并探究其調(diào)控規(guī)律對于先進(jìn)介電材料的開發(fā)具有重要的科學(xué)和工程意義。



  近日，王雙飛院士團(tuán)隊基于纖維素獨(dú)特的性能優(yōu)勢和介電潛力，首次提出了通過介電調(diào)控構(gòu)建極化性能增強(qiáng)型纖維素摩擦電材料的創(chuàng)新理念。分別從介電常數(shù)、極化機(jī)制、介電測量技術(shù)等方面為纖維素的介電調(diào)控提供了理論基礎(chǔ)，提供了物理結(jié)構(gòu)設(shè)計、化學(xué)基團(tuán)修飾以及功能填料選擇等方面的指導(dǎo)性策略，展望了其在高效能量收集、可穿戴電子設(shè)備以及阻抗匹配等新興領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。


圖1. 基于介電調(diào)控的先進(jìn)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(zhì)材料，具有前景廣闊的特性：優(yōu)良的機(jī)械性能、易加工性、介電性能、壓電性能和可轉(zhuǎn)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(jù)電荷運(yùn)動的機(jī)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(dǎo)的轉(zhuǎn)向極化。不同的極化機(jī)制都將使纖維素摩擦電材料呈現(xiàn)不同的介電響應(yīng)能力。 


圖3. TENG的理論模型和摩擦電材料的極化機(jī)制


  由于電子云密度的差異，纖維素的結(jié)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(fù)載的填料將在纖維素材料內(nèi)部產(chǎn)生許多界面區(qū)域，其與纖維素電性能的巨大差異進(jìn)一步加劇了界面相互作用，增強(qiáng)了界面極化響應(yīng)。與此同時，介電表征技術(shù)也對纖維素摩擦電材料極化性能的探究起著十分關(guān)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(shí)地反映其中的極化響應(yīng)性能。 


圖4. 纖維素納米復(fù)合材料的界面模型和介電表征技術(shù)


  該項(xiàng)成果以題為“Fabrication of Advanced Cellulosic Triboelectric Materials via Dielectric Modulation”發(fā)表在國際學(xué)術(shù)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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