01 研究背景

摩擦纳米发电机（TENG）以其柔性、适应性强和结构简单等优势，成为微纳能量收集领域的研究热点。然而，目前广泛使用的聚合物摩擦电材料，其制备往往依赖有机溶剂，带来环境负担。水性聚氨酯（WPU）以水为分散介质，环境友好，被视为潜力替代材料，但其摩擦电性能尚不理想，且表面强亲水性易吸附湿气，导致在潮湿环境下输出不稳定，制约实际应用。为提升性能，研究者常采用掺杂纳米填料的策略，但传统刚性填料与柔性基体力学匹配度差，容易引起应力集中，导致材料微损伤，影响器件可靠性与输出耐久性。因此，设计一种与水性聚氨酯基体高度相容的功能性填料，在显著增强摩擦电性能的同时，保持器件原有的柔韧性与结构完整性，成为推动环保型TENG走向实用化的关键课题。

02 文章概述

近日，王双飞院士团队段青山副教授课题组受血管平滑肌细胞和玫瑰花瓣的双重启发，创新性地提出一种“体相-表面双仿生”协同改性策略，成功设计出兼具高输出性能与优异环境稳定性的新一代摩擦电材料。该工作巧妙地在WPU体相中引入了由TEMPO氧化纳米纤维素（TOCNF）包封的液态金属（LM）液滴（TOCNF@LM），通过两者之间的多重相互作用，机械韧性增强至140MJ·m?3，摩擦电输出提升至210V。另外，在材料表面构筑了仿玫瑰花瓣的微纳结构，赋予材料超疏水特性（水接触角高达145°），进一步将摩擦电性能提升至250V，展现出强大的环境适应能力。该成果以“Bioinspired Bulk-Surface Co-Modified Triboelectric Materials for High-Output and Environmentally Stable Self-Powered Sensing”为题发表在国际学术期刊《Advance Functional Materials》上。硕士生尚柏均和许贝为共同第一作者，段青山副教授为通讯作者，彭伟卿，何娟霞，赵辉，彭治钱，王立坤等参与研究。

03 图文导读

1. TOCNF@LM液滴及TLW的设计

受血管平滑肌细胞和玫瑰花瓣的双重启发，设计了兼具优秀的电学性能与力学性能的摩擦电材料。通过超声空化效应，液态金属被TOCNF封装形成核壳结构的TOCNF@LM液滴，平均粒径为350nm。TOCNF@LM液滴在基体内的有序分布，类似于血管平滑肌细胞沿血管壁的分级排列结构。此外，连接液滴之间及液滴与基体的氢键“间隙连接”形成了动态可逆的三维网络，有效缓解应力集中并显著提升拉伸强度。采用模板法在薄膜表面构筑了仿生玫瑰花瓣状微结构。当水滴接触表面时，褶皱结构会在固-液界面间捕获气垫层，从而防止润湿并显著增强表面疏水性。与此同时，这种乳突-褶皱分级结构在TENG工作的接触-分离过程中扩大了有效接触面积，进一步促进摩擦电性能的提升。

2. 基于仿生体相改性提升TLW材料的力学性能

通过嵌入适量TOCNF@LM，该液滴展现出卓越的力学表现——强度高达16.85MPa，韧性更达到140 MJ·m?3。在受到拉伸时，这些嵌入WPU基体中的液滴会像血管中的平滑肌细胞一样，从初始的球状逐渐延展为椭球体。这一形变过程，触发液滴表面的TOCNF与WPU分子链之间形成可逆的氢键网络，并发生滑移与重排，从而高效耗散外界机械能，赋予材料优异的抗损伤与恢复性能。

3.通过表面仿生结构改性增强TLW材料的疏水性能

受玫瑰花瓣启发，TLW的微结构表面具有多级乳突阵列，实现了卓越的疏水性能。其表面密布的微米级乳突与纳米级褶皱，共同在固?液界面处形成了复杂且互联的三维“空气腔”网络。这种结构本质上巩固了Cassie?Baxter润湿状态，使液滴悬浮在一层复合气垫之上。由于接触面积大幅减小，液滴与基底之间的相互作用被显著削弱，使该材料具备优异的疏水与自清洁潜能。

4. 基于双仿生体表共改性提升TLW材料的摩擦电性能

适量的TOCNF@LM可显著提升材料的摩擦电性能，这主要归因于导电液态金属核与绝缘基体间形成的界面显著增强了界面极化，电荷在这些界面的积累提高了整体介电常数。与此同时，液态金属与有机基体界面形成的局域态能捕获载流子并作为电荷陷阱，从而进一步增强材料的电荷存储能力。此外TLW还具有良好的的环境稳定性与耐久性，即使在高湿度环境（98% RH）及-20℃仍具有良好输出稳定性。

5. 用于人体滑雪动作监测的自供能传感器

基于TLW材料卓越的拉伸性、疏水性及高效电输出性能，制备了一种用于滑雪运动监测的TLW-TENG应变传感器。该传感器能在300秒内将1?μF、2.2?μF和10?μF的电容器分别充电至14?V、12?V和9?V，其峰值输出功率可达1.1?W·m?2。仅通过简单的手指敲击动作，即可驱动多达300个LED灯同时点亮，充分体现了其优异的自供能特性。此外，传感器还具备快速响应能力，能够稳定检测并区分手指、手腕、膝盖等部位的运动信号，为滑雪运动监测、可穿戴设备及自驱动传感系统提供了可靠的高性能解决方案。

04 结论

本研究通过对TOCNF、液态金属及WPU进行体相与表面协同改性，制备了一种双仿生摩擦电材料。这一创新策略成功构建出具有高拉伸性、强韧性与环境适应性的自供能系统，适用于低温传感领域。所制得的TLW复合材料展现出卓越的力学韧性（韧性值达140.2 MJ·m?3）、优异疏水性（水接触角＞144°）及突出的摩擦电性能（开路电压250 V，短路电流8.19μA）。基于该材料组装的摩擦纳米发电机器件在经历12,000次机械循环后仍保持99%以上的初始输出，并在高湿度及-20℃低温环境下维持稳定输出，展现了出色的耐久性与环境适应性。本研究为开发能够在寒冷潮湿环境中稳定工作的新一代自供能可穿戴系统，提供了一种环境友好、易于制备的通用材料设计策略及有效实现路径。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202528797