作者:李舟等 来源:《物质》 发布时间:2023/11/2 11:39:16
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中国科学院北京纳米能源所报道可降解高分子的摩擦电性能

 

近日,中国科学院北京纳米能源所李舟团队建立了基于四十种生物可降解高分子(BPs)膜材料的摩擦电序,并创新性地总结了多种主链或侧链化学基团、材料特能对BP摩擦电极性的影响规律及相关原理。

2023年10月31日,该研究成果以“Triboelectric performances of biodegradable polymers”为题发表在Matter期刊上。论文的通讯作者是李舟研究员,第一作者是孟宏宇博士、于巧博士研究生和刘卓博士,王中林院士指导了本工作。

生物可降解高分子(BPs)是制备植入式可降解电子医疗器件(IBMEDs)的基本材料。BPs可用于制备IBMEDs的封装层、基底和传感材料,以及植入式摩擦纳米发电机(TENGs)的摩擦电材料。材料的基本特性决定了IBMED的性能和应用。然而,很少有研究在基于种类较全面的BP基础上,比较它们的基本特性,特别是摩擦电性能方面。因此更缺乏关于其摩擦电序的规律性、原理性研究。研究和比较BPs的摩擦电性能,并建立较全面的BPs摩擦电序,不仅有助于研究人员深入认识高分子摩擦起电的潜在机制,而且对于选择摩擦电极性差异较大的BPs制备基于高输出性能TENG的IBMEDs具有重要的指导意义。

图1:BPs的来源、植入式医疗电子应用、摩擦电性能概况。

该工作建立的BPs摩擦电序的重要性之一在于BPs材料的全面性,以及BPs膜材料制备、测试条件的统一性。而先前关于BPs摩擦电序的工作仅选择数种BPs材料作为研究对象,或者BPs材料的状态没有保证相对统一,导致其摩擦电序的可重复性较难保证,因而更难发掘较为准确的规律性和原理性结论。

李舟研究员、孟宏宇博士与国内外多个课题组、新材料公司合作,制备了四十种已商品化或研发阶段的BPs,这四十种BPs基本涵盖了目前大部分种类的可降解高分子。为了更准确地比较和分析其摩擦电序,本研究统一实验条件、高分子膜状态和制备工艺,包括:湿度、温度、膜面积、膜厚度、制备参数。此外,在摩擦电序的测试中,每片BP膜的底面作为测试面,因为不同BP膜的底面在相同玻璃皿面的模板作用下,具有相近的粗糙度。本工作将每个BP膜(2 cm×2 cm)以1Hz的频率与聚四氟乙烯膜进行接触分离,并通过示波器和静电计测试产生的转移电荷量(Qsc)。通过对Qsc的比较,得到了这四十种BPs的摩擦电序。为了更好地理解不同主链和侧链基团对BP摩擦电极性的影响,根据分子种类和结构的相似度,将这些BPs分为五组进行比较和分析,这五组包括:纤维素及其衍生物组、多糖组、蛋白及其他天然BPs组、聚酯和聚碳酸酯组、聚醚及其他合成BPs组(图2)。

图2:四十种BPs的分组摩擦电序。

该工作的创新性在于较全面地总结了各种主链或侧链化学基团、材料特能对BP膜摩擦电极性的影响规律和原理。通过全面、准确的BPs摩擦电序,才能有助于进一步揭示官能团和其他因素对摩擦电极性的影响规律,然而一直以来缺乏这方面的系统研究。该工作通过各BP小组的Qsc的平均值或标准差进行了比较,并对不同因素在BPs摩擦电极性的影响程度方面进行了量化分析,得到了BPs摩擦电极性的相关规律和原理(图3),包括:

1)主链化学基团在决定大多数BPs在摩擦电序中的位置方面起到了重要作用。

2)侧链化学基团影响BP的摩擦电极性。

3)摩擦电极性与主链或侧链中官能团的密度有规律性联系。

4)聚醚基团被证实在多种BP官能团中具有最高的摩擦电正极性。

5)具有粘附性能或碎片化形貌的BP膜,其摩擦起电效应可分别被增强或降低。

图3:不同主链、侧链基团对BPs摩擦电极性的影响规律。

此外,该工作对各种BPs的制备方法、降解性能、力学性能等进行了较全面地对比、分类、分析。基于上述性能,研究组选择摩擦电极性差异最大的PEO和EC作为摩擦层组合,制备了植入式可降解TENG(图4)。通过连续轻微按压模拟动物自主呼吸,系统研究了TENG在植入前后的力-电输出性能。另外,通过选择不同降解周期的BP封装材料,植入式TENG的体内降解时间可实现合理调控。

图4:基于BPs的植入式TENG性能研究。

该工作是目前关于BPs摩擦电序的最全面报道,并且较深入、全面地总结了主链或侧链官能团、材料特性对摩擦电极性的影响规律。该研究创新性的总结不仅有助于IBMEDs的材料选择;在摩擦起电领域的众多研究和应用中,研究人员借鉴该工作可以更合理地选择或设计高分子来调节摩擦电极性,从而使摩擦起电效应更加可控。

该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中央高校基本科研业务专项资金的支持。感谢中国科学院北京纳米能源所陈翔宇研究员、蓝晶微生物副总裁白渊斌等对本工作的帮助。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.09.017

 
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