新型纳米纤维：让生物传感器实现自供电，还能生物降解
据多伦多大学和滑铁卢大学的研究人员称，木材衍生材料可用于从日常运动（如步行）中获取电能。在最近发表的一项新研究中，该团队展示了一种能够通过蓝牙向智能手机发送无线信号的原型自供电设备，这种设备的最大秘密是使用源自树皮的木质纤维素纳米纤维。此类设备可用于跟踪生物特征数据，例如心率、氧气水平或皮肤电导率。这项创新可以提高这些设备的性能，同时降低它们对环境的影响。
“生物传感器在可穿戴电子产品中很常见，但现在它们由电池供电，”研究人员说。“这使得它们体积庞大、不方便且成本高昂。没有电池的传感器可以更薄、更小、更便宜。你再也不用担心忘记给电池充电了。”研究人员补充道。
创新背后的原理是摩擦电效应，一种静电形式。由于某些材料比其他材料更能吸引电子，因此反复使两种不同的材料接触然后将它们分开会导致电荷在它们之间积聚。
来自世界各地的研究人员正在试验一种称为摩擦纳米发电机的装置，该装置利用这种效应产生少量电力。当前的大多数设计都采用合成材料，例如聚四氟乙烯 (PTFE)。然而，这种材料会在环境中长期存在，人们对其潜在的健康影响提出了担忧。研究团队想看看是否有可能创造出一种天然的、可生物降解的替代品。
在这些类型的摩擦发电机中使用纤维素等天然材料进行了一些实验，但大多数团队只在失去电子的层中使用纤维素，称之为摩擦正层。研究想开发一种天然替代物来替代另一面，即摩擦负层。”这种新材料是由纳米纤维制成的，纳米纤维是一种比人类头发细数十万倍的微小植物材料。在其他团队使用由纤维素（纸张和纸板中的主要植物聚合物）制成的纳米纤维的情况下，研究团队还加入了另一种称为木质素的天然聚合物。
木质素是一种复杂的分支分子，在许多纸浆和纸制品中，木质素是一种需要去除的杂质。但在这种情况下，研究发现在纳米纤维中留下约 30% 的木质素实际上提高了它们作为摩擦负性材料的性能。
多伦多大学和滑铁卢大学的研究人员使用木材衍生材料制造了一种小型设备，可用于从日常运动中获取电能。团队将木质纤维素纳米纤维发送给滑铁卢大学电气和计算机工程系的团队。他们将该材料整合到原型摩擦纳米发电机中。
面临的主要挑战是要找到一种高效的方法将机械能转化为电能，然后储存足够的能量来为系统供电，还限制了多功能系统的环境足迹。与使用 PTFE 作为摩擦负层的类似设备相比，该设备能够产生多出 160% 的电压和多出 140% 的电流。只需在测试过程中将设备轻敲在亚克力板上，原型就能产生足够的能量，每三分钟发出一次射频脉冲，并被附近的智能手机接收到。
理论上，这种设备可以插入鞋底，用户在行走或跑步时发电。该设备可用于为生物传感器或任何其他无线发送数据的设备供电。“这种材料不仅性能优于 PTFE，而且还可以生物降解，”研究人员说：“这将使其在一次性生物传感器中非常有用。通过消除电池和 PTFE，我们大大减少了对环境的影响。”
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