納米科學家已經生產出一種可穿戴紡織品，可以編織成衣服，并將穿戴者的彎曲、伸展和其他身體運動轉化為電能，并儲存該能量。這種織物可能具有廣泛的應用，從醫療監測到協助運動員和他們的教練跟蹤他們的表現，以及服裝上的智能顯示。這個研究團隊于6月1日發表在《Nano Research Energy》上的一篇論文中描述了它的工作原理。
圖片來源：sciopen
從智能手表到無線耳機，人們已經可以接觸到各種各樣的可穿戴電子設備。一系列健康、運動和活動監測器現已集成到智能手機中。
但是，由于可以放置在身體上或身體附近的位置很少，因此此類傳感器的準確性仍然有限，并且與許多健康和運動專家對此類技術的雄心相比，其應用范圍也很有限。未來，如果能夠開發出先進的面料，那么集成到襯衫、褲子、內衣和帽子中的可穿戴電子設備或許能夠追蹤虛弱指標，以評估與年齡相關的疾病的風險，監測皮質醇水平以追蹤壓力水平，甚至檢測病原體，成為全球大流行監測網絡的一部分。
要想將可穿戴電子產品提升到一個新的水平，將健康監測器、運動傳感器、導航系統和活動追蹤器以一種輕便、不顯眼和不那么笨重的方式集成到服裝中，仍然需要在先進紡織品方面取得一些重大突破。
現有可穿戴電子產品的挑戰之一來自于為設備提供能量的組件的靈活性和可穿戴性的限制。此外，能源供應單元需要易于與設備集成，并且在環保意識增強的時代具有可持續性。最重要的是，現有的儲能技術容量非常有限。電池和超級電容器可以儲存能量，但它們不能在沒有外部電源的情況下自發產生能量。
“電池佩戴起來也不是很舒服，”該論文的第一作者、中國科學院北京納米能源與納米系統研究所的納米系統專家Feifan Sheng說。“因此，可穿戴和自充電電源的開發至關重要。”
董教授的納米科學家團隊生產了他們所謂的“纖維-TENG”，這是一種靈活的、可編織的、可穿戴的結構，它利用了摩擦電效應，即某些材料在與另一種不同材料摩擦接觸后會帶電。例如，常見的靜電涉及摩擦起電效應的接觸感應帶電。
纖維-TENG由三層組成：聚乳酸層（一種常用于 3D 打印的聚酯）、還原氧化石墨烯層（一種價格低廉的石墨烯）和聚吡咯層（一種已廣泛用于電子和醫藥的聚合物）。
當纖維-TENG受到機械變形時，例如穿著由紡織品編織的衣服的人彎曲或拉伸時，聚乳酸和還原氧化石墨烯層之間接觸產生的摩擦電荷可以被聚吡咯層收集。該過程產生可用作發電單元的電輸出。
纖維-TENG開發的關鍵是一種新工藝，用于制備用于同軸纖維狀超級電容器（纖維-SC）的氧化石墨烯纖維——集成到紡織品中的儲能設施。同軸結構在彎曲和扭曲時提供了極大的穩定性。
該過程包括將活性材料（那些可以儲存和釋放電能的材料）添加到還原氧化石墨烯 (rGO) 纖維的表面。首先，研究人員通過使用氫碘酸生產氧化石墨烯纖維。然后，他們將兩種活性材料——二氧化錳(MnO2)和聚吡咯(PPy)——添加到氧化石墨烯纖維的表面，這一過程被稱為電沉積——一種通過施加電流將材料沉積到表面的方法。
這產生了一種稱為 rGO-PPy-MnO2 的負電極材料，用于纖維-SC。然后通過在 rGO-PPy-MnO2 表面均勻涂覆多壁碳納米管 (MWCNT) 和聚乙烯醇和磷酸電解質制成正極材料。
研究人員測試了他們的纖維-TENG 紡織品，發現它在充電和放電循環中具有高能量密度和長期穩定性，增強了其在提供可穿戴能量生成和存儲方面的前景。
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