近日，云南大学材料与能源学院功能纳米材料课题组在知名国际能源期刊Nano Energy（IF:17.881）上发表论文“Multifunctional device integrating dual-temperature regulator for outdoor personal thermal comfort and triboelectric nanogenerator for self-powered human-machine interaction”。该研究通过静电纺丝的方法制备了黑、白两种复合材料，实现了基于可穿戴织物的个人热管理、自驱动人机交互等功能，为多功能化、集成化的可穿戴电子设备应用开发提供了新的设计思路和解决方案（图1）。

图1 可穿戴织物的多功能集成设计方案

  为了进一步缓解人类发展过程中的能源危机，当代科研人员致力于研发集成多功能于一体且能够不依赖于外源而自供能的电子设备。基于智能可穿戴器件的发展需求，如何将更多穿戴功能、健康监测需求、人机交互和能源自供集成到同一器件，或者通过同一种材料实现以上多种用途是当下的研究热点。而将同一材料即用作于个人热管理的先进纺织品，同时又用于构建柔性电子器件和能量转换设备，以实现具有个人热管理、传感、交互、电子控制和自供能等多种功能的智能纺织品，这是新一代可穿戴电子设备的未来发展方向。

  基于上述多功能集成化自供能可穿戴器件开发需求，该课题组受到企鹅黑白相间皮毛的启发，通过静电纺丝制备了两种具有双温调控功能的仿生纳米织物（即混合了炭黑纳米颗粒或钛酸钡纳米颗粒的聚丙烯腈复合织物，PAN/CB和PAN/BT），通过纳米材料结构、光学特性的调控，实现了具有户外个人热管理及能量转换功能的可穿戴织物（图2），其加热/冷却模式使皮肤模拟器在1 Sun阳光辐照下的温度分别升高/降低8.7℃/2.5℃，同时，纺织品和模拟皮肤之间产生的温度梯度允许使用热电模块连续发电，这为可穿戴设备的连续供电提供了实现途径。

  此外，基于摩擦纳米发电（TENG）技术，此织物还被用做摩擦层材料构建了自供能的纳米发电机，用于可穿戴织物的供能和传感。通过优化TENG的结构和材料配比，获得了最佳电学输出性能：开路电压(V_OC)为215.1V，短路电流(I_SC)为2.54μA，转移电荷(Q_T)为70.72nC和362.58mW m^-2的有效峰值输出功率。由于其优越的电学输出性能，该课题组创新性地将其应用到两个方面。一方面，国际莫尔密码（包含26个大写字母）首次根据TENG信号序列的排列组合实现，并通过机器学习进行验证（图3），这也许会改变信息加密、灯语和遇险求救等特殊场合中人与人的交互方式；另一方面，基于可穿戴织物的柔性自供能游戏控制器也被开发出来用于人机交互（图4），实现了游戏人物运动的有效操控，这在可穿戴电子设备、智能家居等领域展现出潜在的应用价值。

  这项工作展示了未来纳米器件集成多学科交叉应用的潜力。它推动了个人热管理、能量收集和自供电传感技术的开发和应用的进步，将对人机界面系统、可穿戴电子、生物医学产业、软机器人等产生重大而深远的影响。

图2仿生纳米织物的双温调控和热电持续供能的实现

图3 基于TENG的新型国际摩尔密码

图4 基于TENG的自供能游戏控制器

  该课题组近年来一直致力于构筑性能可控的能源器件，目标在于如何高效利用能源为人类生活和健康监测提供新思路和构筑策略。例如，该课题组开发了一种仿生珊瑚的Au@Bi₂MoO₆-CDs（钼酸铋包覆金纳米颗粒再复合碳纳米点）复合材料用于界面太阳能蒸汽转换（ISSC）系统，实现了高效的水蒸发效率（Nano Energy，2020，https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104298）；并在微观和介观层面上探索了3D分级结构对ISSC系统的水蒸发效率的影响（Journal of Materials Science & Technology，2020，https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.05.023）。与此同时，该课题组积极开展了多功能集成器件的探索研究，集中在光热转换、自供能传感，及自驱动健康监测等领域的集成研究工作。在实现高效的光热转换的同时，以Bi₂S₃/Pd PAAH（混合硫化铋/钯的聚丙烯酰胺/聚丙烯酸水凝胶）良好的形状适应性和高灵敏度的应变响应为基础，实现了人体肌肉力量和关节健康的实时监测。（Nano Energy，2021，https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105700）。以上工作受到了国家自然科学基金委、云南省科技厅、云南大学提供的资金支持。

  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107148