王双飞院士/聂双喜教授AFM：多尺度结构纳米纤维素摩擦电气凝胶

自供电式可穿戴电子产品将推动智能医疗、运动监测领域的发展，但这对摩擦电材料的设计提出了更高要求。气凝胶作为常见的摩擦电材料，需要提升其机械性能，以解决实际应用中结构坍塌的问题。

近日，王双飞院士团队基于Hofmeister效应构筑了多尺度结构的纳米纤维素摩擦电气凝胶。气凝胶展现出超高刚度，杨氏模量高达142.9 MPa，比模量高达340.6 kN m kg-1，支撑自身重量的6600倍后依旧不变形。超高刚度的摩擦电气凝胶被用于构建高鲁棒性的可穿戴自供电传感器，即使在343 kPa压强的冲击后仍能工作。这项成果以题为“Multiscale Structural Nanocellulosic Triboelectric Aerogels Induced by Hofmeister Effect”发表在了《Advanced Functional Materials》上。

【摩擦电气凝胶的设计】

Hofmeister效应诱导水分子从聚合物链之间不断排出，羟基之间形成新的氢键，导致聚合物链聚集和结晶区域不断增大，即摩擦电气凝胶力学性能得到提升。

图1. Hofmeister效应在摩擦电气凝胶制备中的应用。

【摩擦电气凝胶的制备】

图2展示了摩擦电气凝胶具体制造过程。经过盐析处理，气凝胶网络中可以形成更多、更致密的结晶域，作为强有力的交联点，使气凝胶具有优异的力学性能，该气凝胶的刚度高于先前报道的具有刚度性能的纤维素气凝胶。

图2. 气凝胶的制备工艺和结构。

【摩擦电气凝胶的力学性能】

盐析过程（具备盐析能力的离子种类、盐析处理时间、盐溶液浓度）对摩擦电气凝胶机械性能的影响被进一步探究。

图3. Hofmeister效应对气凝胶机械性能的影响。

【摩擦电气凝胶基自供电传感器的组成和应用】

图4和 5展示了摩擦电气凝胶基可穿戴自供电传感器的组成和应用。经过6000 s的循环测试后，摩擦电气凝胶的多孔结构几乎不受影响。传感器表现出快速响应和恢复速度，响应与回复时间分别仅为33 ms和26 ms，且在工作压强高达343 kPa时依旧可以工作。通过传感器可对不同人体步态进行监测，如根据开路电压信号峰型和数值特点，可以明显区分走路、跑步、跳跃和跌倒等状态。此外，也通过开路电压的峰值大小和峰的频率来监测人体肘部弯曲的角度和频率。

图4. 传感器的结构设计和工作原理。

图5. 传感器应用于运动状态的监测。

小结：在这项工作中，通过Hofmeister效应制备了一种具有优异刚度的摩擦电气凝胶，并基于此材料开发了一种用于人体运动状态监测的自供电传感器。本研究为气凝胶的设计策略与应用提供了参考，也有望促进可穿戴产品在智慧医疗领域中的进一步应用。

封面来源于图虫创意