苏大汪晓巧教授、张克勤教授Nano Lett.：仿生超拉伸、结构可编程Janus螺旋水凝胶纤维用于应变不敏感的人体热能收集与传感

2025-02-10 来源：高分子科技

关键词：仿生超拉伸结构可编程 Janus 螺旋水凝胶纤维应变不敏感人体热能收集与传感

近日，苏州大学汪晓巧教授、张克勤教授在《Nano Letters》上发表了题为“Bioinspired Programmable and Ultrastretchable Janus Helical Hydrogel Fibers for Strain-Invariant Thermoelectric Body Heat Harvesting and Sensation”的研究成果。

受植物卷须结构的仿生启发，本研究创新性地设计并制备了一种具有Janus异质结构的热电螺旋水凝胶纤维。该纤维在超高应变条件下展现出卓越的结构稳定性，能够完全保持其原始热电性能。基于生物应变失配机制，研究团队成功开发了一种可规模化制备的Janus螺旋纤维，该纤维由聚丙烯酸钠（PANa）和聚丙烯酸钠/单壁碳纳米管（PANa-SWCNT）复合水凝胶构成，并实现了螺旋直径的可调控性。实验结果表明，经过优化的螺旋纤维具有优异的超拉伸性能，其内置温度梯度和电阻值在高达650%的应变条件下仍能保持恒定，从而确保了热电纤维的稳定能量输出性能。进一步地，通过集成90对p/n螺旋热电水凝胶纤维，成功构建了自适应热收集系统，该系统实现了6.51 mV cm^-2的电压密度输出。值得注意的是，该器件展现出优异的环境温度感知能力，其灵敏度达到-176 μV/℃，且该性能不受人体运动的影响。

图1 p/n交替的Janus螺旋水凝胶纤维的仿生制备及其应变不敏感的热电特性

图2 热电螺旋水凝胶纤维的制备及其结构、力学特性

Janus纤维的制备过程

通过施加应力形成螺旋纤维

图2说明了通过冷拔工艺将Janus直纤维转化为螺旋结构的过程。这一结构转变主要源于Janus 纤维中PANa水凝胶超细纤维与PANa-SWCNT复合水凝胶超细纤维之间的应变不匹配特性。独特的Janus异质结构的弹塑性是螺旋纤维制造的基础，因此通过改变施加的预应变大小，可得到不同直径的螺旋线圈，从而实现螺旋结构的可编程化制备。

图3 p/n交替的Janus螺旋水凝胶纤维的制备及性能研究

本研究采用聚乙烯亚胺（PEI）溶液作为n型掺杂剂对Janus螺旋水凝胶纤维进行n型改性处理。为优化纤维的热电性能，系统研究了不同PEI浓度对n型热电纤维性能，并通过对比分析确定了具有最佳热电性能的PEI掺杂浓度。可以看出，改性成功的p/n热电螺旋纤维的开路电压随着p/n对数的增加而增大，并且具有良好的均匀性和连续性。

图4 超可拉伸的热电Janus螺旋水凝胶纤维的应变不敏感性能研究

维持螺旋纤维内置温度梯度（ΔT’）的稳定性是实现应变不敏感热电性能的关键。基于COMSOL Multiphysics的有限元模拟与实验测试数据共同证实，即使在650%的超高应变范围内，螺旋纤维仍能保持ΔT’的稳定。当线圈轴向间距进一步缩小时，ΔT’会相应地下降。循环力学测试显示，在600%应变下经历500次连续加载-卸载循环后，器件的电阻波动幅度始终低于4%，展现出优异的机电稳定性。

图5 用于应变不敏感的可穿戴电子器件的可拉伸热电Janus螺旋水凝胶纤维

本研究开发了一种基于热电Janus螺旋纤维的可穿戴能量收集装置。该装置由90对串联的p/n热电单元构成，具有优异的曲面顺应性和机械柔韧性。实验结果表明，当该器件集成于人体手臂时，能够有效收集并转换人体热能。值得注意的是，该热电纤维在不同环境条件和运动状态下均表现出稳定的能量收集性能。此外，该器件还展现出优异的应变不敏感特性，其温度传感灵敏度达到 -176 μV/℃，且输出电压信号不受手指弯曲等机械形变的干扰。这种独特的设计为可穿戴热电设备的开发提供了新的思路，在人体能量收集和温度监测领域具有广阔的应用前景。

苏州大学汪晓巧教授和张克勤教授为本文的通讯作者，硕士生王哲和博士生蒋望凯为论文的共同一作。

原文链接

Wang, Z.; Jiang, W.; Cao, P.; Wang, Y.; Xie, A.-Q.; Niu, S.; Xu, Y.; Li, L.; Zhang, K.-Q.; Wang, X.-Q. Bioinspired Programmable and Ultrastretchable Janus Helical Hydrogel Fibers for Strain-Invariant Thermoelectric Body Heat Harvesting and Sensation. Nano Letters 2025.

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c06094

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（责任编辑：xu）

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