寧波材料所在低磁場(chǎng)誘導(dǎo)納米纖維素高度取向制備高性能摩擦納米電機(jī)研究方面取得進(jìn)展
利用低維有序結(jié)構(gòu)單元構(gòu)建分層有序結(jié)構(gòu)在天然高分子材料的功能實(shí)現(xiàn)和性能提升方面發(fā)揮著重要作用。納米纖維素（CNF）由于固有的各向異性，具有顯著的納米級(jí)特性，如重量輕、強(qiáng)度高、生物相容性好以及獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)特性。然而，由于CNF間的強(qiáng)相互作用，在形成纖維素基材料中僅能實(shí)現(xiàn)隨機(jī)排列，無(wú)法將CNF的優(yōu)異特性傳遞到大尺度的材料當(dāng)中，這也成為利用CNF構(gòu)建高性能材料器件的難點(diǎn)。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所生物基高分子材料團(tuán)隊(duì)在朱錦研究員和那海寧研究員的帶領(lǐng)下長(zhǎng)期從事生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用技術(shù)與應(yīng)用研究，圍繞非糧生物質(zhì)基高性能及功能材料開(kāi)展了多項(xiàng)卓有成效的研究工作。近日，該團(tuán)隊(duì)提出了一種低磁場(chǎng)誘導(dǎo)磁性納米棒組裝CNF實(shí)現(xiàn)高度取向排列的新策略，設(shè)計(jì)出磁性納米棒結(jié)構(gòu)，利用其形貌各向異性和磁矩取向效應(yīng)，僅在幾十毫特（mT）的弱磁場(chǎng)下，即引導(dǎo)CNF實(shí)現(xiàn)了高度取向排列，排列取向度（S2D）高達(dá)0.8-1.0。此外，還通過(guò)模擬與實(shí)驗(yàn)協(xié)同分析，揭示了CNF高度取向的引導(dǎo)機(jī)制。通過(guò)磁場(chǎng)引導(dǎo)，將CNF構(gòu)成纖維素材料的介電常數(shù)由CNF隨機(jī)排列時(shí)的8.67提高CNF高度取向排列時(shí)的15.21，以此作為核心器件形成摩擦納米電機(jī)（TENG）的電輸出性能提高971%，同時(shí)展現(xiàn)出良好磁響應(yīng)調(diào)控、柔性與濕敏能力。此項(xiàng)成果不僅在天然生物質(zhì)基材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)取向調(diào)控層面的取得突破，也在自供能柔性電子器件的性能提升上展現(xiàn)巨大潛力，為生物質(zhì)材料的高質(zhì)量轉(zhuǎn)化利用及柔性電子材料技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。
該工作由2023級(jí)碩士生王天宇在寧波材料所朱錦研究員和那海寧研究員的指導(dǎo)下完成，并以“Magnetic nanorods induced construction of multiresponsive anisotropic nanocellulose films for enhanced TENG output”為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.202522421）。該工作得到了寧波市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2025Z112）、海南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（ZDYF2023XDNY053）、國(guó)家自然科學(xué)基金（52303142）、寧波市自然科學(xué)基金（2024J437）、廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院清潔制漿造紙與污染控制廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（2023GXZZKF62），中國(guó)科學(xué)院寧波材料與技術(shù)研究所所長(zhǎng)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。
圖(a)磁場(chǎng)誘導(dǎo)磁性納米棒取向納米纖維素提高TENG輸出性能示意圖；(b)、(c)高度排列納米纖維素偏光顯微鏡圖；(d)、(e)磁場(chǎng)取向納米纖維素與隨機(jī)分布納米纖維素構(gòu)成TENG輸出性能圖；(f)各向異性納米纖維素膜介電常數(shù)圖；(g)以磁性納米棒誘導(dǎo)CNF取向與傳統(tǒng)非磁場(chǎng)取向和磁場(chǎng)取向CNF的S2D對(duì)比圖；(h)以磁場(chǎng)誘導(dǎo)高度取向的CNF與其他增強(qiáng)TENG輸出性能方法的性能提升幅度對(duì)比圖
（高分子與復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室 那海寧）