柔性摩擦纳米发电机（
TENG
）因其在机械能收集、自供电传感和人机交互中的广泛应用潜力，近年来备受关注。然而，传统
TENG
材料在实际应用中面临多重挑战：首先，其机械性能不足，难以应对复杂或高强度的动态应力环境；其次，自修复能力欠佳，限制了材料的使用寿命和维护效率；此外，其极端环境适应性较差，在极端温度、高湿环境或长期使用条件下性能易衰减。低共熔凝胶（
Eutectogel
）因其优异的离子电导率、良好的热稳定性和绿色可持续性，被视为柔性
TENG
的理想材料。但如何系统化进行分子结构优化设计，提升低共熔凝胶机械强度、自修复能力的同时，赋予材料极端环境适应性并优化
TENG
的电输出性能，仍是亟待解决的核心挑战。
针对上述挑战，
近日，
大连工业大学孙润仓教授
、
邵长优
副教授
团队和北京林业大学文甲龙教授团队
提出了一种创新的内外双增强策略（
IEDRS
），通过分子层面的结构优化和多组分协同增强，显著改善了低共熔凝胶的综合性能。该策略通过内部增强和外部增强实现性能突破：内部通过引入高活性的甲基丙烯酸缩水甘油酯（
GMA
）与过量乳酸（
LA
）反应形成共轭物单体，并在低共熔溶剂（氯化胆碱
/
乳酸）中通过无引发剂的紫外光直接引发原位聚合的创新性合成技术，构建了具有机械强韧与动态自愈特性的低共熔凝胶互锁网络骨架；外部则加入植物衍生的木质素（
Lignin
）天然高分子，利用其本征刚性结构和丰富羟基的动态氢键界面，同步提升低共熔凝胶的力学强度和自主愈合能力，并赋予凝胶卓越的可逆表面黏附性质。内部交联网络与外部氢键网络协同作用相结合，实现低共熔凝胶高机械强度、超强韧性、快速自愈、高离子导电性和优异极端环境适应性的有效集成。该策略创新性地结合化学交联与物理交联，通过分子耦合作用将多种优异性能融入单一材料体系中，同时以绿色可持续的木质素和低共熔溶剂体系为基础，展现出高效、环保和可持续的材料开发潜力。
基于
IEDRS
策略制备的
GLCL
凝胶在多项关键性能上实现了突破：其机械性能显著提升，
断裂
应力高达
1.53 MPa
，韧性达到
1.85 MJ/m³
；材料的黏附性能表现优异，最大黏附强度可达
4.76 MPa
；同时具备优异的自修复能力，切割后的材料在室温下可在
12
小时内恢复
84.7%
的强度。此外，
GLCL
凝胶具有卓越的环境适应性，能够在
−40°C
至
100°C
的宽温度范围内保持稳定性能。这些优异特性使其成为柔性电子和极端环境应用中的理想材料。
基于
GLCL
凝胶制备的摩擦电纳米发电机（
GLCL-TENG
）展现出卓越的性能和广泛的应用潜力。其电输出性能优异，开路电压高达
294.4 V
、短路电流
1.9 μA
、转移电荷
92.4 nC
，并在动态条件下保持稳定。得益于
GLCL
内强烈的动态氢键相互作用，材料能够快速自修复，即使在受损条件下依然保持强劲的电输出能力。同时，
GLCL-TENG
在
−40°C
至
100°C
的宽温度范围内保持稳定输出，并经过
10,000
次接触分离循环后性能无明显衰减，展现出优异的耐用性和极端环境适应性。凭借这些卓越性能，
GLCL-TENG
在
自供电传感与人机交互领域表现突出，能够精准检测手指、手腕及手臂的运动，广泛适用于可穿戴设备和智能交互应用，并成功实现无线控制赛车游戏等创新应用。作为一种理想的全气候能量采集解决方案，
GLCL-TENG
可为便携式电子设备提供独立供电，进一步拓展了其在能源采集和智能传感领域的广阔应用前景。
本研究不仅提供了一种创新的低共熔凝胶设计策略，还通过实验验证和理论分析深入揭示了其性能提升的机理。研究成果表明，
GLCL-TENG
具备在极端环境下的高效稳定运行能力，为未来的柔性绿色电子、生物力学能量采集、自供电传感和人机交互等领域开辟了新的可能性。
图
1
：
GLCL
低共熔凝胶的设计灵感与合成过程。
图
3
：
GLCL
低共熔凝胶的自黏附和自修复特性。
图
4
：
GLCL
低共熔凝胶的极端环境适应性。
图
5
：
GLCL-TENG
的运行机理与电输出性能。
图
6
：
GLCL-TENG
在
全天候生物机械能量收集中的应用。
图
7
：
GLCL-TENG
作为人体运动检测和人机交互的自供电传感器。
图
8
：利用自供电
GLCL-TNEG
控制界面实现无线操控下的车辆运动。
以上研究成果近期以
“Mechanically Resilient, Self-Healing, and Environmentally Adaptable Eutectogel-Based Triboelectric Nanogenerators for All-Weather Energy Harvesting and Human
−Machine Interaction
为题，发表在期刊《
ACS Nano
》上。
北京林业大学博士研究生孙少超
为论文的第一作者，
大连工业大学孙润仓教授
、
邵长优
副教授
和北京林业大学文甲龙教授
为论文的共同通讯作者。此研究工作得到国家自然科学基金
面上项目
、辽宁省中央
引导
地方科技发展基金、中国
科协青年人才托举工程项目
、中国博士后科学基金
站中项目的
支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c12130
相关进展
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