研究背景
随着人工智能时代的到来，电子产品的小型化和便携化使得可穿戴智能产品行业备受瞩目这使得可穿戴电子产品领域在过去取得了长足的发展。可穿戴电子产品具有以非侵入性方式处理信息的能力，并被用于各种检测应用。特别是，可穿戴电子产品带来了人与机器之间的互动，是物联网的一个重要组成部分。它们在医疗行业、体育行业、农业和定位等领域有着广泛的应用。然而，许多带有无线系统的可穿戴智能电子设备使用电池作为电源。电子设备的小型化和功能的多样化增加了能源消耗，导致了运行时间短和频繁充电等问题。摩擦纳米发电机的出现，作为一种自供电的能量采集手段，为可穿戴电子设备注入了新的活力。基于摩擦静电的自供电技术具有材料选择多样、制造工艺简单、成本低、有极低能耗和高灵活性的可穿戴电子设备提供了新的可能性。它不可避免地促进了下一代可穿戴电子设备和多功能人工智能系统的快速发展和广泛应用。然而，结构灵活、工作时间长、佩戴舒适已经成为可穿戴电子设备广泛使用的关键要求。因此，传感材料的合理设计和运行稳定性对于可穿戴电子设备的制造至关重要。
与普通聚合物不同，纤维素具有良好的生物相容性、柔韧性、优异的机械性能、介电性能和压电性能，并且是一种具有可降解性的石油基替代产品。纤维素的线链结构由通过共价键连接的环状葡萄糖分子组成，其表面富含羟基(-OH)反应性基团，形成了具有可改性的强氢键网络。纤维素段的可修改性使它很容易被制成薄膜、水凝胶、气凝胶、织物和其他可穿戴电子设备的材料。与刚性电子产品相比，纤维素可穿戴电子产品在灵活性、舒适性和功能性方面具有明显的优势。此外，与聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)及其他当今常用的氟塑料不同，纤维素材料更适合满足环境友好和可持续发展的需要。纤维素的独特优势使其在能源储存、能源采集、水收集、人机界面单元和柔性电子器件方面显示出良好的应用潜力。
研究成果
随着物联网和柔性电子技术的快速发展，人们对无线、可持续、多功能和独立运行的自供电可穿戴设备的需求越来越大。然而，结构灵活、工作时间长、佩戴舒适已经成为可穿戴电子设备广泛采用的关键要求。摩擦纳米发电机作为一种分布式能量采集技术，在可穿戴传感领域的应用开发上具有巨大的潜力。与刚性电子产品相比，纤维素自供电的可穿戴电子产品在灵活性、透气性和功能性方面具有明显的优势。本文回顾了用于自供电可穿戴电子设备的先进纤维素摩擦电材料的研究进展。从自上而下、自下而上、复合材料制备过程中的界面特征等方面介绍了纤维素的界面特性。同时，介绍了纤维素摩擦电材料的摩擦特性的调控策略。此外还系统地讨论了摩擦电材料的设计策略，如表面功能化、界面结构设计和真空辅助自组装。特别是详细介绍了纤维素自供电的可穿戴电子设备在人体能量采集、触觉感应、健康监测、人机互动和智能火灾预警等领域的应用。最后，讨论了纤维素摩擦电材料用于自供电可穿戴电子设备的当前挑战和未来发展方向。相关报道以“Rational Design of Cellulosic Triboelectric Materials for Self‑Powered Wearable Electronics”为题发表在Nano-Micro Letters期刊上。广西大学聂双喜教授为文章通讯作者。
综述要点
1. 这篇综述系统地讨论了纤维素材料制备过程的界面特性，自上而下、自下而上和复合过程。
2. 详细总结了纤维素摩擦电材料的合理设计策略，并讨论了不同设计策略对纤维素摩擦电材料表面电荷特性和电荷密度的影响。
3. 全面回顾了纤维素摩擦纳米发电机在自供电可穿戴设备领域的研究进展。
图文导读
Fig. 1 Cellulosic self-powered wearable electronics.
Fig. 2 Interface properties during the construction of cellulosic materials.
Fig. 3 Interfacial characteristics of cellulose in top-down processes.
Fig. 4 Interfacial characteristics of cellulose in bottom-up processes.
Fig. 5 Interface properties of cellulosic composites.
Fig. 6 Properties modulation of cellulosic triboelectric materials.
Fig. 7 Cellulosic triboelectric materials as positive triboelectric layers.
Fig. 8 Cellulosic triboelectric materials as negative triboelectric layers.
总结与展望
在此，本文旨在为自供电可穿戴电子产品的制备提供新的视角，并对纤维素可穿戴电子产品的研究进展进行了回顾(图 1)。全面介绍了材料制备过程的特点、制备策略，以及不同制备策略对摩擦性能的影响。其中，讨论了不同制备策略对纤维素摩擦电材料的摩擦正极性、摩擦负极性和电荷密度的影响，这有助于制备具有稳定摩擦信号输出的可穿戴电子产品。特别是回顾了纤维素可穿戴电子产品的最新应用发展，如人体能量采集、触觉传感、健康监测、人机互动、智能自由预警等领域的研究。最后，总结和讨论了纤维素可穿戴电子设备目前的挑战和未来的发展。
随着电子技术的蓬勃发展，无线电子设备正逐步向设备小型化、便携化和多功能化方向发展自供电的可穿戴电子设备的出现，改善了当今无线电子设备充电时间长、能量消耗大的问题。在这篇文章中，回顾并强调了用于自供电可穿戴电子设备的纤维素三电材料的最新进展。纤维素自供电可穿戴电子设备解决了许多平面电子设备便携性差的问题，并具有灵活性好、舒适性强、功能多等优点。尽管取得了一些进展，但自供电可穿戴电子设备的响应稳定性仍然值得关注。追求新型材料和传感技术的综合策略是充分实现自供电电子器件在可穿戴传感中的潜力的有效途径。
尽管挑战依然存在，但纤维素自供电的可穿戴电子产品因其良好的可穿戴性、便携性和敏感性，在一些新兴的应用中显示出强大的活力，进一步拉近了人与机器的距离。由环保型纤维素材料制成的自供电可穿戴电子产品无疑将在物联网时代进发出更大的活力。
文献链接
Rational Design of Cellulosic Triboelectric Materials for Self‑Powered Wearable Electronics
https://doi.org/10.1007/s40820-023-01094-6
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