科學(xué)家們公布了一種自供能離子納米發(fā)電機(jī)傳感器。該傳感器具有柔性和高靈敏度，可實(shí)時(shí)監(jiān)測高達(dá) 70°C 的溫度，非常適合可穿戴電子設(shè)備和熱管理領(lǐng)域。

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隨著可穿戴技術(shù)日益小型化和高性能化，熱量管理變得愈發(fā)重要。過多的熱量會降低設(shè)備效率，還可能損壞敏感組件，因此可靠的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測對設(shè)備穩(wěn)定性至關(guān)重要。

傳統(tǒng)傳感器通常依賴外部電源，且缺乏與緊湊型系統(tǒng)無縫集成所需的柔性。研究人員將目光投向了摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENGs）—— 這類設(shè)備能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，具有 lightweight、成本效益高的特點(diǎn)，展現(xiàn)出一定潛力。但由于高溫下會發(fā)生熱電子發(fā)射，TENGs 的性能通常會下降。

一種柔性自供能解決方案

在《先進(jìn)功能材料》最近發(fā)表的一篇論文中，研究人員開發(fā)了一種新型離子溫度傳感 TENG（iTS-TENG），攻克了這些短板。

研究人員通過熱塑性聚氨酯（TPU）與離子液體 1 - 乙基 - 3 - 甲基咪唑雙（三氟甲基磺酰基）亞胺（[EMIM][TFSI]）按不同重量百分比（0-30%）制備復(fù)合離子彈性體，進(jìn)而制作出 iTS-TENG。

研究人員制備出透明、可拉伸的薄膜，并將其與含氟聚合物配對，構(gòu)成設(shè)備的正負(fù)極層。當(dāng)受到壓力時(shí)，iTS-TENG 無需外部電源就能產(chǎn)生隨溫度變化的電信號。

結(jié)果與討論

該傳感器利用了 TPU 接近其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）時(shí)的特性變化。當(dāng)接近 Tg 時(shí)，材料開始變形，導(dǎo)致 π-π 堆積、庫侖力和氫鍵減弱，從而釋放自由離子并形成雙電層（EDLs），顯著提高電容和輸出性能。

傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）、差示掃描量熱法（DSC）和原子力顯微鏡（AFM）證實(shí)，薄膜中存在溫度誘導(dǎo)的微相分離。這使得無定形含量增加，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）達(dá)到 58.05°C，改善了離子遷移率和雙電層（EDLs）的形成。電化學(xué)阻抗譜（EIS）進(jìn)一步支持了這些發(fā)現(xiàn)，顯示在高溫下阻抗降低、電容提高。

研究表明，這種離子彈性體在 30°C 至 70°C 的反復(fù)循環(huán)中表現(xiàn)出優(yōu)異的熱響應(yīng)性和耐久性。值得注意的是，含 10wt.% 離子液體（IL）的 iTS-TENG 性能最佳，在 70°C 時(shí)輸出電壓達(dá) 740V，電流為 17.24µA，約為純 TPU 器件的 1.4 倍。

該傳感器在加熱過程中表現(xiàn)出 3.865V/°C 的線性溫度靈敏度，冷卻過程中為 - 3.645V/°C，在 20 次熱循環(huán)中重現(xiàn)性良好。有限元模擬（FEM）顯示，更有序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和可移動的自由離子使熱傳遞更快，而機(jī)械壓力通過促進(jìn)離子釋放進(jìn)一步提高了輸出性能。

在實(shí)際演示中，iTS-TENG 在 70°C 下僅用 400 秒就將 220µF 的電容器充電至 2V。不過，離子液體含量較高的器件性能有所下降，這是由于電荷泄漏所致，這也證實(shí) 10wt.% 是離子液體的最佳添加比例。

在可穿戴電子設(shè)備中的應(yīng)用

iTS-TENG 的透明性、柔性和可拉伸性使其非常適合集成到可穿戴技術(shù)中，如智能紡織品和皮膚貼裝健康監(jiān)測器。

研究人員將 iTS-TENG 與示波器和搭載 MATLAB 的筆記本電腦相連，構(gòu)建了實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能將摩擦電信號轉(zhuǎn)換為溫度讀數(shù)。在 30–45°C 范圍內(nèi)，其結(jié)果與商用傳感器的數(shù)據(jù)高度吻合。自供能特性消除了對外部能源的需求，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了易用性。

展望未來

該傳感器的快速響應(yīng)和線性特性使其非常適合動態(tài)環(huán)境。目前仍存在一個挑戰(zhàn)：機(jī)械輸入能量的不穩(wěn)定性可能影響輸出穩(wěn)定性。未來的設(shè)計(jì)可能會采用改進(jìn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)或基于人工智能的信號處理技術(shù)，以進(jìn)一步穩(wěn)定性能。

這項(xiàng)研究凸顯了材料創(chuàng)新如何克服 TENG 在高溫下的長期局限性，為下一代電子設(shè)備中的能量收集和溫度傳感提供了一個可擴(kuò)展、自給自足的平臺。

期刊參考
Hwang, H, J., 等. (2025). 基于柔性離子彈性體的摩擦納米發(fā)電機(jī)自供能實(shí)時(shí)溫度傳感. 《先進(jìn)功能材料》, e04081. DOI: 10.1002/adfm.202504081, https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202504081