【人物与科研】华中科技大学苏彬老师教授课题组Adv. Fun. Mater.：仿鲨鱼皮水下超疏油表面上的磁流体液滴发电
导语
磁流体是一种稳定的胶体悬浮液，既具有液体的流动性，又具有超顺磁性。由于磁流体在外界磁场的作用下容易磁化/退磁，因此磁流体可以改变通过线圈的磁通量，从而将外界的机械能转换成电能。然而，由于磁流体在固体表面存在高的粘附力，导致目前的磁流体发电机存在机械笨重、价格昂贵和转换效率低等问题。
鲨鱼是一种游速极快的海洋生物。由于鲨鱼皮表面粗糙的肋条结构和亲水的表面化学成分，鲨鱼皮展现出低粘附的表面、自清洁性质和巨大的减阻功能。受鲨鱼皮启发，鲨鱼皮表面独特的结构和性质或许是解决磁流体在固体表面高粘附性的有效方法，从而使磁流体在固体表面自由、快速地滑动，并将机械动能转换成电能。目前，制备人工鲨鱼皮结构的方法有：生物复印技术、激光烧结、光刻法和3D打印技术等。其中，3D打印技术不仅可以大规模、快速地制备出鲨鱼皮的表层肋条结构，而且还能调节肋条的尺寸大小和鳞片之间的空间分布，对制备和调控鲨鱼皮结构展现出显著的优势。
视频：华中科技大学苏彬教授课题组磁液体液滴发电机
近日，华中科技大学苏彬教授课题组通过3D打印技术和仿鲨鱼皮水下超疏油、低粘附和减阻性质，制备了简单高效的磁流体液滴发电机，可以高效地将磁流体液滴的机械能转换成电能，相关工作成果发表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202103776）。
苏彬教授课题组简介
1831年，法拉第发现电磁感应定律，为人类社会将自然界中大量存在的机械能转换为电能提供了可能。然而，传统电磁发电机由磁定子、线圈转子组成，具有体积大、材质硬和只能转换转动型机械能的缺点。如何将其体积减小、材质变软、使得平动型机械能被转换为电能，成为了核心问题和研究目标。华中科技大学苏彬教授课题组将导电的客体材料和磁性的客体材料引入到主体柔性材料中，构筑独特的柔性磁/电复合材料体系用于力-电转换。当控制导电的客体材料和磁性的客体材料在外力作用下发生相对位移时，就可以使得最终的复合材料得到压力-电能转换的性能。课题组进一步利用增材制造技术来设计柔性磁电材料体系，未来将应用于自供能传感器、能源转换器件以及软体机器人领域。
苏彬教授简介
苏彬，教授，博士生导师，华中科技大学材料科学与工程学院。“华中卓越学者计划”特聘II岗；澳大利亚研究委员会早期职业研究员奖（ARC-DECRA）获得者（2014-2016）；1983年3月生于湖北省武汉市，毕业于上海交通大学，分别获理学学士学位（2005）、工学博士学位（2009）；毕业后在中国科学院化学研究所有机固体实验室江雷院士课题组从事博士后（2010）、助理研究员（2011）、副研究员（2012）工作；2014年在澳大利亚莫纳什大学化工学院作为ARC-DECRA基金研究学者（2014）、博士后研究学者（2017）工作；2018年加入华中科技大学，主要从事柔性磁电器件及其增材制造的研究；以第一作者或通讯作者在Nat. Commun., Adv. Mater., JACS, Chem. Soc. Rev., Nano Today, ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Adv. Sci., Chem. Mater., Small, J. Mater. Chem. A等SCI期刊上发表论文，研究成果相关引用 5000余次，H指数40；研究工作受到国际同行的高度关注，相继被Nature China, Chemistry World, Materials Views 等网站或杂志以研究亮点的形式进行了报道；以第一发明人申请中国发明专利15项，授权6项。
前沿科研成果
仿鲨鱼皮水下超疏油表面上的磁流体液滴发电
华中科技大学苏彬教授课题组通过简单高效的3D打印技术制备一系列结构可调控的仿鲨鱼皮水下超疏油表面，用于降低油基磁流体在水下固体表面的粘附力，并将磁流体的机械动能转换为电能。由于仿鲨鱼皮表面的水下超疏油和减阻性质，油基磁流体在水下固体表面上可以快速移动。当3D打印的鲨鱼皮模型内部整合线圈和磁块后，80 μL的磁流体液滴在水下仿鲨鱼皮表面上快速移动时，可以产生峰值电压85.2 μV和峰值电流1.1 μA。该工作通过引入3D打印技术和仿生结构性质，创造性地解决了磁流体在固体表面的高粘附性问题，为开发简单高效的磁流体发电机提供一个新的思路。
图1. 仿生3D打印鲨鱼皮的水下超疏油和低粘附性质
（来源：Advanced Functional Materials）
作者首先选取一小片新鲜的鲨鱼皮，通过扫描电镜获得鲨鱼皮表层的结构。从图1b可以看出，鲨鱼皮表层覆盖一层由凹凸不平，但紧凑有序排列的盾鳞结构，也称之为微凹槽结构。作者进一步通过光固化3D打印技术设计并打印了结构一致的鲨鱼皮表面。由于粗糙的表面结构和亲水的化学成分，仿鲨鱼皮表面展现出水下超疏油的性质。通过粘附性测试进一步发现，油基磁流体在水下3D打印鲨鱼皮表面具有低的粘附性。
图2. 鲨鱼皮的结构参数对浸润性的影响
（来源：Advanced Functional Materials）
3D打印技术的优势在于便捷地设计和调控样品的结构参数。因此，作者通过3D打印技术，系统地调控了鲨鱼皮的结构参数（鳞片的水平距离、鳞片的垂直距离、鳞片的面比、鳞片的倾斜角度、肋条高度和相邻肋条之间的距离），并探究其结构参数对浸润性的影响。作者首先通过三维软件设计了鳞片的垂直距离与相邻肋条距离之间的正交实验。通过超景深3D显微镜表征样品的结构，从图2a-c可以看出，制备的鲨鱼皮表面结构与预设的结构一致。进一步测试磁流体在不同结构的鲨鱼皮表面上的滚动角，可以发现，鳞片的垂直距离对滚动角有明显的影响。由于物理限域的作用，随着鳞片垂直距离的增大，滚动角明显增大。
图3. 3D打印水下磁流体发电机及其发电机理
（来源：Advanced Functional Materials）
当3D打印鲨鱼皮样品的内部整合线圈和磁块后，80 μL的油基磁流体液滴在水下仿鲨鱼皮表面上快速移动时，可以产生峰值电压85.2 μV和峰值电流1.1 μA。作者进一步通过Maxwell理论模拟证实了3D打印水下磁流体液滴发电机的产电机理为通过线圈的磁通量改变。当磁流体落在磁流体液滴发电机表面左侧时，Fe3O4纳米颗粒的磁畴是随机的，此时磁流体展现出非磁性。由于表面低粘附和水下超疏油性质，磁流体液滴会快速滚动到磁流体液滴发电机中间。此时，磁流体液滴受底部磁场作用，展现出超顺磁性质，改变了通过下方线圈的磁通量，产生相应的电输出。当磁流体液滴继续滑动到磁流体液滴发电机右侧时，磁流体又展现出非磁性，再次改变了通过下方线圈的磁通量，产生相反的电输出。
图4. 阶梯型磁流体液滴发电机
（来源：Advanced Functional Materials）
为了持续收集磁流体液滴的机械动能，作者设计并组装了一个阶梯形的磁流体液滴发电机。该发电机中间部分的曲率为20°且末端有一个空腔，允许磁流体液滴从上一个磁流体发电机快速滑向下一个磁流体发电机，直到底部的储存瓶。磁流体液滴的每个滑动过程都能产生电，因此，一滴磁流体液滴在阶梯型磁流体液滴发电机上快速滑动时，可以产生4个电信号，并驱动发光二极管间隔地亮4次。当六滴磁流体液滴在阶梯型磁流体液滴发电机上快速滑动时，发光二极管的闪烁频率和亮度都显著增加，展现出持续收集磁流体液滴机械动能的能力。
总结：
该工作解决了磁流体在固体表面的高粘附性导致磁流体发电机笨重，昂贵和效率低的问题，以“3D-Printed Underwater Super-Oleophobic Shark Skin towards the Electricity Generation through Low-Adhesion Sliding of Magnetic Nanofluid Droplets”为题发表在Advanced Functional Materials，第一作者为华中科技大学黄剑瑜博士生，通讯作者为华中科技大学苏彬教授。