新型納米纖維：讓生物傳感器實現自供電，還能生物降解

　　據多倫多大學和滑鐵盧大學的研究人員稱，木材衍生材料可用于從日常運動（如步行）中獲取電能。在最近發表的一項新研究中，該團隊展示了一種能夠通過藍牙向智能手機發送無線信號的原型自供電設備，這種設備的最大秘密是使用源自樹皮的木質纖維素納米纖維。此類設備可用于跟蹤生物特征數據，例如心率、氧氣水平或皮膚電導率。這項創新可以提高這些設備的性能，同時降低它們對環境的影響。

　　“生物傳感器在可穿戴電子產品中很常見，但現在它們由電池供電，”研究人員說。“這使得它們體積龐大、不方便且成本高昂。沒有電池的傳感器可以更薄、更小、更便宜。你再也不用擔心忘記給電池充電了。”研究人員補充道。

　　創新背后的原理是摩擦電效應，一種靜電形式。由于某些材料比其他材料更能吸引電子，因此反復使兩種不同的材料接觸然后將它們分開會導致電荷在它們之間積聚。

　　來自世界各地的研究人員正在試驗一種稱為摩擦納米發電機的裝置，該裝置利用這種效應產生少量電力。當前的大多數設計都采用合成材料，例如聚四氟乙烯 (PTFE)。然而，這種材料會在環境中長期存在，人們對其潛在的健康影響提出了擔憂。研究團隊想看看是否有可能創造出一種天然的、可生物降解的替代品。

　　在這些類型的摩擦發電機中使用纖維素等天然材料進行了一些實驗，但大多數團隊只在失去電子的層中使用纖維素，稱之為摩擦正層。研究想開發一種天然替代物來替代另一面，即摩擦負層。”這種新材料是由納米纖維制成的，納米纖維是一種比人類頭發細數十萬倍的微小植物材料。在其他團隊使用由纖維素（紙張和紙板中的主要植物聚合物）制成的納米纖維的情況下，研究團隊還加入了另一種稱為木質素的天然聚合物。

　　木質素是一種復雜的分支分子，在許多紙漿和紙制品中，木質素是一種需要去除的雜質。但在這種情況下，研究發現在納米纖維中留下約 30% 的木質素實際上提高了它們作為摩擦負性材料的性能。

　　多倫多大學和滑鐵盧大學的研究人員使用木材衍生材料制造了一種小型設備，可用于從日常運動中獲取電能。團隊將木質纖維素納米纖維發送給滑鐵盧大學電氣和計算機工程系的團隊。他們將該材料整合到原型摩擦納米發電機中。

　　面臨的主要挑戰是要找到一種高效的方法將機械能轉化為電能，然后儲存足夠的能量來為系統供電，還限制了多功能系統的環境足跡。與使用 PTFE 作為摩擦負層的類似設備相比，該設備能夠產生多出 160% 的電壓和多出 140% 的電流。只需在測試過程中將設備輕敲在亞克力板上，原型就能產生足夠的能量，每三分鐘發出一次射頻脈沖，并被附近的智能手機接收到。

　　理論上，這種設備可以插入鞋底，用戶在行走或跑步時發電。該設備可用于為生物傳感器或任何其他無線發送數據的設備供電。“這種材料不僅性能優于 PTFE，而且還可以生物降解，”研究人員說：“這將使其在一次性生物傳感器中非常有用。通過消除電池和 PTFE，我們大大減少了對環境的影響。”