北航邵丽华团队PNAS：可发电的丝瓜络

2023-09-27 03:09

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具有力-电耦合效应的柔性材料，在受到机械刺激或电场作用时能够实现电信号和变形之间的相互转换，在软体机器人、人工肌肉、生物医学等领域具有广泛的应用前景。挠曲电效应作为一种常见的力-电耦合效应，不受材料对称性限制，存在于所有的电介质中，包括高分子材料、生物材料、陶瓷材料、半导体等。但是，柔性材料的挠曲电响应通常比较微弱，提高材料的挠曲电输出从而实现大规模应用是一个广受关注的前沿性课题。

为了突破这一局限，北京航空航天大学邵丽华教授课题组在之前的工作中，首次建立了多孔微结构材料挠曲电效应的理论模型，设计并实现了柔性多孔材料的超高挠曲电输出，系统地揭示了多孔材料挠曲电效应的力学和物理规律（J. Mech. Phys. Solids, 151, 104396, 2021）。基于理论指导，设计了一种分层扭转的多孔柔性聚合物复合材料，实现了在载荷作用下挠曲电输出比基体材料高10000倍，发明了应变梯度发电机，可为手机、蓝牙耳机等供电，展示了柔性多孔材料优异的力-电耦合性能及其在俘能、传感等领域的应用潜力（Sci. Adv., 9, eadc8845, 2023）。

近日，该课题组发现了天然多孔材料—植物丝瓜络的巨挠曲电效应，建立了力-电耦合模型，揭示了其力-电耦合机制，实现了具有最高比密度等效压电系数的优异性能，展示了这种天然生物材料作为绿色环保的柔性发电机及其他智能器件的应用实例和前景。研究成果以“The giant flexoelectric effect in a luffa plant-based sponge for green devices and energy harvesters”为题发表于《美国科学院院报》（PNAS）。合作者包括北京大学王建祥教授，以及美国工程院院士、休斯顿大学Pradeep Sharma教授。

图1. 丝瓜络可作为应变梯度发电机为智能设备充电

丝瓜络具有类似海绵的形貌，其内部呈现出不同尺度的二级孔隙结构：一级结构由丝瓜络韧带交织的宏观多孔组织构成，另一级是由丝瓜络韧带内部的蜂窝状管束组成的微观通孔结构。这种特殊的二级多孔结构赋予丝瓜络轻质、小尺寸的微结构易产生高应变梯度的特性，为巨挠曲电响应提供了有利条件。

图2. 丝瓜络的形貌和结构特征

研究者建立了分级多孔结构的力-电耦合理论模型，预测了其等效压电系数，并与实验结果进行了对比。理论分析表明，第一级多孔结构在宏观载荷作用下发生非均匀变形，同时第二级通孔结构通过降低韧带的截面惯性矩，增加了单根韧带的应变梯度，从而提高了该分级多孔材料的力-电输出性能。理论计算结果与实验结果吻合良好，揭示了该二级多孔结构的力-电耦合性能本质上是挠曲电效应的机理，并给出了电信号输出与宏观载荷成正比，与韧带的弹性模量、截面惯性矩和直径呈负相关的参数影响规律，可指导其他具有高力-电耦合性能的仿生材料设计。

图3. 丝瓜络的理论模型示意图及预测结果

丝瓜络展现出优异的力-电耦合性能，其挠曲电电流随宏观载荷的周期变化而实时输出，且信号峰值稳定，比质量挠曲电流超过人造复合材料海绵的4.5倍。与目前文献中报道的典型的压电材料比，丝瓜络具有最高的比密度等效压电系数，该系数超过常见压电材料b-PVDF的50倍、是PZT的10倍。

图4. 丝瓜络的力-电耦合性能

工作还展示了丝瓜络作为绿色智能传感器，用于检测机械变形、传感压力，识别声音/音节等；同时，也可以作为应变梯度发电机，经过对60×20×6mm³的丝瓜络按压几分钟后，其将机械能转换为电能，输出挠曲电流点亮了6个LED。作为绿色、环保、产量大，且价格低廉的天然材料，丝瓜络优异的力-电响应性能使其具有作为智能器件应用的巨大潜力。

图5.丝瓜络绿色智能传感器件，及其作为发电机点亮LED

该工作受到PNAS审稿人的高度称赞，他们认为：“工作具有开创性（groundbreaking）” 、“是一项重要进展”；“可以将本文的方法推广到其他绿色植物中”，“从普通材料中开发出了一种绿色多功能材料”、“展示了一种新型材料系统，其力-电耦合性能非常巨大”。

论文的共同一作是北京航空航天大学固体力学研究所的硕士研究生蒋雨滴（已毕业）和博士研究生闫东泽，北京航空航天大学邵丽华教授为论文的唯一通讯作者。该研究得到了北京市杰出青年科学基金，以及国家自然科学基金的支持。邵丽华教授团队在固体力学领域的轻质多孔材料力-电耦合力学方面开展了长期而深入的研究，取得了一系列创新性成果。邵丽华教授团队招收力学、材料、物理等专业的硕士、博士研究生、博士后等，感兴趣的研究者可将简历发至[email protected]。