接地气！铁电聚合物不仅能发Science，还能做智能鞋垫
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近日，东华大学的王宏志教授课题组制造了一种铁电增强型摩擦电蒸发织物（FETET），其中包括铁电增强型TENG（FETENG）和定向吸湿芯（DMWF），将主动摩擦电场极化和被动芯吸耦合以将大型水簇分解为小型水簇或水单体，从而使纺织品的水蒸发速率提高4.4倍。与最好的商业鞋垫（CI）相比，穿着FETET制得的智能鞋垫（SI）的跑步者经过40分钟运动后皮肤温度下降了0.8°C。相关成果以“Wicking–Polarization‐Induced Water Cluster Size Effect on Triboelectric Evaporation Textiles”为题在国际顶尖学术期刊《先进材料》（Advanced Materials）上发表。
图1. 受植物启发的芯吸-极化耦合效应和纺织品的湿热性能。(a) 植物蒸腾的示意图。(b) FETET的结构示意图以及水的传输路径。(c) FETENG的照片。(d,e) 纺织品的热阻和蒸发性测试。
受蒸腾作用的启发，FETET通过芯吸-极化耦合效应将大型水团转变为小型水团和水单体，从而将水从皮肤蒸发到环境中（图 1）。FETET由DMWF和FETENG组成。FETET包括改性尼龙（MN）网眼、纤维素/聚酯（CP）无纺布、聚酰胺-6（PA6）亲水性纤维膜、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯（P（VDF-TrFE））纤维膜以及硅橡胶包裹的导电海绵。纺织品的湿热性能测试表明它具有优异的导热性，并且在摩擦电蒸发冷却过程中将保持良好的传热能力。随着FETET功能层的增加，纺织品的耐蒸发性在合理的范围内（从1.05至5.12 Pa m2 W-1）增加。
图2. 润湿性梯度和孔径对芯吸的影响。(a) 用于智能织物各层的拉普拉斯压力分析的锥模型。(b) 纤维间通道间的拉普拉斯压力促进汗液的扩散。(c) 智能织物的横截面SEM图像。(d) 智能织物的孔径分布。(e) 使用COMSOL软件模拟汗水在纤维通道中的运动。(f) 测试不同织物的干燥速度。(g) 智能织物在不同出汗率下对输出性能的影响。
汗液的蒸发表面主要受拉普拉斯压力。他们通过建立一个合理的圆锥模型并对拉普拉斯压力的分析得出，整个芯吸过程是垂直方向上的定向且不可逆的过程。另外，沿着纤维间通道的水平方向的拉普拉斯压力将加速汗液沿着纤维膜表面的扩散（图 2）。被动芯吸过程源于不同层之间的可湿性梯度和孔径，汗液流过MN层到达CP层和PA6层。PA6纳米纤维对汗液具有更高的渗透和扩散驱动力以及更大的比表面积，因此具有更快的水蒸发速率。
图3. 具有主动极化功能的铁电增强的摩擦电场。(a) P(VDF-TrFE)纤维膜的极化磁滞回线及其在电场下偶极子的方向转换过程。(b) 在铁电极化作用下，由表面态模型解释的接触带电机制。(c) FETENG的电位分布的仿真结果。(d) 不同KCl浓度的FETENG的孔隙率和输出电压。(e) 不同硅橡胶质量的FETENG的孔隙率和输出电压。(f) FETENG在不同体积的KCl溶液中的输出性能。(g) 在不同的外部负载电阻下测得的FETENG的输出电流、电压和瞬时功率密度。
为了实现芯吸-极化耦合效应，需要铁电增强的摩擦电场来促进液态水的蒸发。他们通过高压静电纺丝后，获得了一个富含β相的自极化P（VDF-TrFE）纤维膜，并且电场下的铁电纤维膜可以切换偶极子的排列方向（图 3）。类似地，铁电纤维膜中偶极子的布置也将受到摩擦电场的影响。最终，FETENG借助铁电极化和摩擦电场之间的协同作用产生较大的输出，比单个摩擦电场更有利于液态水的蒸发。当负载电阻为60 MΩ时，FETENG的最大瞬时功率密度约为135 W m-3。
图4. 主动极化的探索和解释。（a,b）分别在不存在和存在电场的情况下水分子蒸发过程的仿真。(c) 电场对蒸发的水分子数量的影响。(d) 电场中的吸热变化。(e) 隔离水分子的偶极矩与电场的理论曲线。(f) 从左至右分别是六水单体、六聚体舟构型、六聚体椅构型和六聚体扁平构型的能量。(g) 有源极化机制示意图。电场由摩擦带负电荷和P(VDF-TrFE)的偶极矩形成。
分子动力学（MD）模拟揭示了主动摩擦电场极化对蒸发的促进作用。当铁电增强的摩擦电场作用于液态水时，水分子将极化并且偶极矩将增加，从而导致动态氢键网络被破坏，这类似于用剪刀切断氢键。水分子重排后，水的六聚体将变成六个水单体或小型水簇，增加水分子的总能量，蒸发势垒会降低。因此当存在电场时，水分子的蒸发和吸热率显著增加（图 4）。
图5. 芯吸-极化耦合效应以及水蒸发和热传递。(a) 芯吸-极化耦合机制的示意图。(b) 覆盖不同织物之前和之后对皮肤上的水进行热成像。(c) 电场对FETET水蒸发速率的影响。(d) 电场和水分对FETET传热量的影响。(e) 水分蒸发率和代表性纺织品的传热质量。
他们发现由连续接触带电产生的EL将引起异常的摩擦电蒸发。基于上述的被动芯吸和主动极化，提出了一种芯吸-极化耦合机制（图 5）。通过修改了疏水层的润湿梯度，以使汗液更容易通过疏水层，同时确保与皮肤接触的疏水层的表面水分含量为始终为0％。随后，在不同的拉普拉斯压力的影响下，汗液将在两个亲水层中扩散。而且，汗水将无法通过P（VDF-TrFE）或返回至MN。最后，在铁电增强的摩擦电场的作用下，大型水簇被降解为小型水簇或水单体，加快从液态水分子到气态水分子的转化。
实验数据进一步证实了芯吸-极化耦合机制的合理性。与没有摩擦电场的情况相比， FETET的水蒸发速率从0.005 g增加到0.008 g min-1。与传统的吸湿排汗织物相比，摩擦电蒸发织物的水分蒸发率分别比亲水性棉织物和亲水性聚酯织物高4.4倍和3.6倍。
图6. 具有运动快干和降温功能的无线运动监控鞋垫。(a) 智能鞋垫（SI）的示意图。(b) 输出电压响应很宽的压力范围。(c) 正常运行期间无线监控系统的充放电曲线。(d) 自充电和自感应无线监控系统的示意图。(e) 运行期间芯片和蓝牙模块的照片。(f) 透气性测试。(g) 水蒸气透过率测试，用于测量汗液传播的速度。(h) 表面水分含量。(i) 鞋垫热测量的实验示意图。(j) 跑步前后不同鞋垫的皮肤温度。
初级孔和次级孔使SI具有出色的感测性能，因此它可以在较大的压力范围（1.1~403.5 kPa）和1.1 kPa的压力检测极限内监视人体运动。结合SI的感应特性，他们开发出了一种用于人体运动的自供电和自感应无线监视系统。在自感应系统中，SI充当压力感应单元，然后，人体步行信号通过芯片和蓝牙模块无线传输到手机。此外，感应智能鞋垫还具有出色的舒适性。更重要的是，在摩擦电蒸发的刺激下，鞋垫具有良好的湿热性能。
他们开发了一种具有无源芯吸和有源极化功能的摩擦电蒸发织物。摩擦电蒸发纺织物的芯吸-极化耦合效应会破坏水簇的动态氢键网络，促进液态水吸收并排出水蒸气。铁电纤维膜赋予了摩擦电纳米发电机更高的输出，从而有助于其在有源极化过程中的优异性能。摩擦电纺织品制备的传感器具有良好的灵敏度和较低的检测极限，可以轻松地应用于人体运动的自充电和自感应无线监控系统。新型铁电增强摩擦电蒸发纺织品可直接用于开发智能和高性能的服装，为传统服装行业带来创新。