【Nano Letters】通过拉普拉斯压力差驱动的定向吸湿的摩擦电材料-Zhiwei Wang

可穿戴传感器在人机交互、健康监测系统和人体运动监测领域蓬勃发展，使用舒适性已成为可穿戴传感设备的重要研究方向之一。然而，传感材料的弱定向吸湿能力导致液体滞留，严重制约了可穿戴传感器的舒适性，导致人体无法适应长期穿戴使用，极大限制了传感器在实际生活中的普及使用。尤其对于接触式的可穿戴传感器，液体滞留会限制电子的迁移，导致传感基材电信号输出失真。因此，为传感材料提供充足的定向吸湿驱动力具有重要的意义。

02. 文章概述

近日，王双飞院士团队通过图案引导对准策略，构建了微山丘阵列，赋予了摩擦电材料定向排湿能力。在拉普拉斯压力差和润湿性梯度的驱动下，摩擦电材料可以在2.25 秒内快速定向去除液滴。定向吸湿排汗摩擦电材料表现出优异的压力传感性能，能够实现快速响应/恢复（29.1 ms/37.0 ms），从而实现人体呼吸和运动状态的实时在线监测。该成果以题为“Directional Moisture?Wicking Triboelectric Materials Enabled by Laplace Pressure Differences”发表在自然指数期刊《Nano Letters》上，王志伟副教授和2022级本科直博生邹雪莲为共同第一作者，聂双喜教授为通讯作者，刘涛、朱云鹏、吴迪、白亚宇、杜国立、罗斌、张松、迟明超、刘艳华、邵宇正、王金龙参与研究。

03. 图文导读

1、定向吸湿摩擦电材料的设计

定向排湿摩擦电材料由区域性分布的疏水性PTFE颗粒，亲水层PAN纳米纤维膜和MXene层共同组成。其中，疏水PTFE颗粒在微山丘阵列周围，形成了不对称润湿性的表面。得益于微山丘阵列的结构梯度形成了可以定向输送液滴的拉普拉斯压力差。由于拉普拉斯压力差和润湿性梯度的耦合作用，本研究显着缩短了材料的定向除湿时间。将定向排湿摩擦电材料组装成自供电的可视化呼吸状态监测装置，可应用于运动状态识别。

图1 基于定向排湿摩擦电材料的呼吸状态监测系统

2、定向吸湿摩擦电材料的制备策略

通过图案引导排列和高电位富集策略构建定向吸湿摩擦电材料。PAN纳米纤维带正电，而金属捕集器带负电，金属捕集器上的凸起具有较高的电势，优先引导纤维富集。当富集到一定厚度形成静电屏蔽时，PAN纳米纤维将随机分散。通过上述简单的步骤，可以成功制备出具有微山丘阵列的纳米纤维膜。微山丘阵列交错分布，边高约70μm，脊清晰可见。为了实现PTFE颗粒的区域分布，依托金属捕集器作为掩模，采用均匀喷涂方法对PTFE颗粒进行喷涂。

图2 定向排湿摩擦电材料的制备及表面形貌

3、摩擦电材料的定向吸湿能力及机理

定向排湿摩擦电材料的三层材料具有明显的润湿性梯度差。从实时的液面高度变化可以看出，液滴在1.13 s内已经穿透定向吸湿摩擦电材料，2.25 s液滴被排走。摩擦电材料的定向吸湿驱动力来自微山丘阵列产生的拉普拉斯力压力差和润湿性梯度差异力。在定向吸湿摩擦电材料的背面，液滴始终无法渗透。定向吸湿摩擦电材料可瞬间（≤1秒）吸收穿着者皮肤上的模拟汗液，并在15分钟后自然风干，为穿着者皮肤提供干燥舒适的微环境。

图3 定向排湿摩擦电材料的单向透水性能

4、定向吸湿摩擦电材料的传感性能

具有微观结构特征的表面形貌可以有效提高摩擦电材料的应力传感性能。微山丘阵列是软凸结构，在很小的力作用下会响应外界压力发生形变。传感器的响应时间和恢复时间分别为 29.1 ms 和 37.0 ms，能够在短时间内实现及时的应力反馈。电压信号仅受应力强度的影响，并且在任何应力值下和不同频率下都能保持稳定的输出。微山丘阵列结构通过10,000次循环实验被证明具有优异的传感稳定性，满足人类日常的大部分需求。

图4 定向排湿摩擦电材料的自供电传感性能

5、定向吸湿摩擦电可穿戴传感器

定向吸湿排汗摩擦电材料通过合理设计组装到口罩中，随着人类呼吸运动产生周期性接触分离。同步检测的电压输出电信号完全还原了一个完整的呼吸过程。当志愿者佩戴口罩时，口鼻呼吸微环境相对湿度高达90%以上，传感器仍能保持稳定的摩擦电信号输出。通过连接蓝牙模块，传感器可以实现无线监测志愿者运动时的呼吸。此外，它还可以实时检测志愿者在静止、慢走、跑步等不同速度下的运动状态。在未来的智能时代，定向吸湿摩擦电自供电传感器将拥有更广阔的的应用需求空间。

图5 用于检测呼吸状态的可穿戴传感器

04. 结论

本研究制备了具有定向吸湿和传感特性的摩擦电材料，并将其应用于复杂的口鼻呼吸传感系统。由于拉普拉斯力差异和润湿性梯度的协同效应，水滴被超快地泵送通过摩擦电材料（1.13 s）并被排出（2.25 s）。定向吸湿自供电传感器在相对湿度高达90%以上的口鼻呼吸微环境，可以实现稳定的电信号输出和不同呼吸状态的有效感知。该研究工作为可穿戴传感器的设计提供了新的思路，也为复杂环境条件下传感器的设计提供了参考解决方案。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01962