基于一种自供电器件整合到原型摩擦纳米发电机中

据麦姆斯咨询报道，来自多伦多大学和滑铁卢大学的研究人员开发了一种自供电器件，可用于从日常运动（如步行）中获取电能，并能够通过蓝牙向智能手机发送无线信号，从而用于跟踪生物特征数据，例如心率、氧气水平或皮肤电导率。而这种器件的最大秘密是使用源自树皮的木质纤维素纳米纤维。

“生物传感器在可穿戴电子产品中很常见，但目前大部分传感器需要由电池供电”，研究人员说：“这使得它们体积庞大、不方便携带且成本高昂。而自供电的传感器可以更薄、更小、更便宜。你再也不用担心忘记给电池充电了。你只需把它贴在皮肤上，它就会利用你的自然动作而自我供电。”

该项创新背后的原理是摩擦电效应，即一种静电形式。由于某些材料比其他材料更能吸引电子，因此反复使两种不同的材料接触然后将它们分开会导致电荷在它们之间积聚。当前，大多数设计都采用合成材料，例如聚四氟乙烯（PTFE）。然而，这种材料会在环境中长期存在，从而使得人们对其潜在的环保问题提出了担忧。

目前已经有很多研究使用纤维素等天然材料进行了一些实验，但大多数研究只在失去电子的层中，即摩擦正层使用纤维素；因此，多伦多大学和滑铁卢大学的研究人员试图创造出一种天然的、可生物降解的替代品来替代另一面，即摩擦负层。

具体来看，这种新材料是由纳米纤维制成的，纳米纤维是一种比人类头发细数十万倍的微小植物材料。在其他团队使用由纤维素（纸张和纸板中的主要植物聚合物）制成的纳米纤维的基础上，该研究团队还加入了另一种称为木质素的天然聚合物。

木质素是一种复杂的分支分子，在许多纸浆和纸制品中，木质素是一种需要去除的杂质。但研究发现，在纳米纤维中留下约30%的木质素可以提高了它们作为摩擦负性材料的性能。

接着，研究人员将木质纤维素纳米纤维给到滑铁卢大学电气和计算机工程系的团队，并由他们将该材料整合到原型摩擦纳米发电机中。该项研究过程中面临的主要挑战是找到一种高效的方法将机械能转化为电能，然后储存足够的能量来为系统供电。与使用PTFE作为摩擦负层的类似器件相比，该器件能够产生多出160%的电压和多出140%的电流。只需在测试过程中将器件轻敲在亚克力板上，就能产生足够的能量，且可以每三分钟发出一次射频脉冲，并被附近的智能手机接收到。理论上，这种器件可以插入鞋底，用户在行走或跑步时即可实现发电。

“这种材料不仅性能优于PTFE，而且还可以生物降解”，研究人员最后补充道：“这将使其在一次性生物传感器中有良好的应用前景。通过消除电池和PTFE的使用，我们大大减少了对环境的影响。”

原文标题：新型可降解纳米纤维实现生物传感器自供电

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审核编辑：彭静