可穿戴電子的大力發(fā)展帶來(lái)巨大的便攜式、集成式甚至與人體一體化的能源需求。近年來(lái)，可穿戴柔性納米發(fā)電機(jī)，如摩擦納米發(fā)電機(jī)，作為有效的能量轉(zhuǎn)化器件受到了研究人員的廣泛關(guān)注。但現(xiàn)有接觸—分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化效率較低，同時(shí)柔性不足以及與人體相容性差等問(wèn)題限制了其在可穿戴能量轉(zhuǎn)化器件上的實(shí)際應(yīng)用。

目前提高摩擦電納米發(fā)電機(jī)性能的主要手段有設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)以及調(diào)節(jié)材料本身，其目的都是提高材料對(duì)之間的電子轉(zhuǎn)移效率，但這兩種途徑都帶來(lái)了較高的開(kāi)發(fā)成本。壓電材料是一種能在外力作用下產(chǎn)生表面電勢(shì)的材料，其表面電勢(shì)能夠幫助或者抑制表面電子的轉(zhuǎn)移，因此將壓電材料匹配到摩擦電材料體系中，能夠有效增強(qiáng)納米發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化效率。中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所丁古巧課題組與陶虎課題組合作提出了基于壓電與摩擦電自匹配概念，并在上海交通大學(xué)夏小霞課題組和華山醫(yī)院毛穎課題組的緊密合作與支持下，研發(fā)了基于壓電電勢(shì)修飾摩擦電的混合納米發(fā)電機(jī)體系，發(fā)展出具有高能量轉(zhuǎn)化效率的混合納米發(fā)電機(jī)，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Advanced Materials（DOI:10.1002/adma.201907336）上，并被選為當(dāng)期的Front Cover。

柔性壓電材料，聚偏氟乙烯（PVDF），是一種具有高壓電性能的高分子材料，被廣泛用于可穿戴壓電式納米發(fā)電機(jī)與傳感器，在外力作用下，PVDF能夠在其表面產(chǎn)生較高的壓電電勢(shì)，且能夠與摩擦電材料聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET，易得電子材料）很好接觸并進(jìn)行表面電荷修飾。石墨烯，由于其超高比表面積與負(fù)表面電勢(shì)，可用于PVDF的增強(qiáng)摻雜，并有報(bào)道相分離法能夠引發(fā)PVDF高壓電相的形成，因此研究者們利用石墨烯摻雜以及蒸汽誘導(dǎo)相分離進(jìn)行PVDF的壓電誘導(dǎo)，并依附于PET材料表面，進(jìn)行PET表面電荷修飾。另一方面，利用基因改性的蜘蛛絲蛋白作為失電子材料與PET形成得失電子材料對(duì)。得電子材料對(duì)和失電子材料對(duì)匹配，最終獲得的混合納米發(fā)電機(jī)具有較高的能量轉(zhuǎn)化性能。該器件在外力作用下能夠形成300 V開(kāi)路電壓與72 ìA的短路電流（器件面積6.25 cm2），最高能量密度可達(dá)4016 mW m-2，相較于現(xiàn)有已報(bào)道的柔性納米發(fā)電機(jī)，其能量能量密度達(dá)到領(lǐng)先水平，能量轉(zhuǎn)化效率也達(dá)到了50.9 %，且在長(zhǎng)達(dá)18000次循環(huán)能量收集過(guò)程中均保持穩(wěn)定的能量輸出。由于該器件主體材料是由生物相容的PVDF與蛛絲蛋白組成，可植入到人體中，并進(jìn)行能量收集，研究者們將該器件植入到老鼠體內(nèi)，可以收集到老鼠心跳的能量并給電容器充電；同時(shí)由于該器件輸出電壓高，可制備成摩擦電/壓電傳感器，識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)手勢(shì)等。

利用壓電表面電勢(shì)幫助摩擦電電子轉(zhuǎn)移，相比與其他已報(bào)道的方法具有更簡(jiǎn)單、更有效的增強(qiáng)效果，且基于生物相容的PVDF與基因編輯重組蛛絲蛋白，避免了植入過(guò)程中對(duì)生物體的損害，同時(shí)保證了高效的能量轉(zhuǎn)化率，以提供足夠能源用于驅(qū)動(dòng)低能耗電子設(shè)備運(yùn)行，推動(dòng)了未來(lái)可穿戴電子的發(fā)展。?

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