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  近日，杭州師范大學朱雨田教授團隊聯合南開大學劉遵峰教授在《Advanced Functional Materials》發表最新研究成果，題為《Seamlessly Integrated, High-Output and Robust Triboelectric Nanoyarns: Continuously Electrospun Core-Sheath Architectures for Multimodal Sensing Platforms》。該研究基于多尺度結構設計，將鍍銀尼龍導電紗芯與含有無鉛鈣鈦礦Cs₃Bi₂Cl₉的PVDF-TrFE復合鞘層相結合，通過連續共軛靜電紡絲技術制備出單電極同軸納米纖維紗線TENG（CNY-SE-TENG），實現了輸出性能與運行穩定性的同步提升。基于這種無縫集成的納米紗線，研究團隊開發了多種功能應用，包括交互式古箏數字化界面、自供電摩爾斯電碼通信平臺，以及準確率達95.83%的織物識別系統。該研究為高性能、可穿戴兼容的摩擦電紗線提供了新材料設計與系統集成路徑，展現了其在人機交互與智能傳感領域的應用前景。

  當前，摩擦電納米發電機（TENG）因其能將環境中廣泛的機械能轉化為電能的特性，在能量收集和智能傳感領域引起了廣泛關注。其中，織物基TENG憑借其固有的柔韌性、透氣性以及與日常服裝的無縫集成潛力，被視為構建自供電可穿戴設備的理想平臺之一。為了提升其電輸出性能，研究普遍集中于對摩擦電材料（如PVDF及其共聚物）進行功能填料復合，并借助靜電紡絲等工藝優化纖維表面形貌。然而，現有基于靜電紡絲的織物基TENG主要采用多層的“三明治”結構，這導致了機械剛性增強、透氣性下降、界面穩定性不足，同時也限制了其在紡織加工中的集成兼容性與人體動態貼合性。因此，如何在提高輸出性能的同時，突破傳統多層架構的固有限制，實現TENG在織物中的結構一體化、穿戴舒適性與運動兼容性的協同，成為推動其走向實際可穿戴應用亟待解決的核心科學問題。

結構調控與性能優化

  該研究通過共軛靜電紡絲技術，制備出一種具有連續核鞘結構的高性能摩擦電納米紗線。該結構以鍍銀尼龍紗線為導電芯層，表面均勻包覆PVDF-TrFE納米纖維鞘層，形成穩定的一體化結構。該紗線不僅具備良好的柔韌性，還可通過編織實現圖案化與復雜結構加工，顯示出優異的二次加工能力。為進一步提升性能，研究團隊引入無鉛鈣鈦礦Cs₃Bi₂Cl₉作為功能填料。材料表征結果表明，鈣鈦礦與PVDF-TrFE基體之間存在明顯的界面相互作用： CFH/CH₂偶極與[Bi₂Cl₉]^3-簇團中的Cl^-離子之間產生了C-H···Cl離子-偶極相互作用，有效誘導聚合物鏈發生全反式構象轉變，從而進一步促進極性β相結晶的形成，提升材料的介電性能。

圖1. a) 連續共軛靜電紡紗制備CNYs的示意圖；b) PVDF-TrFE/Cs₃Bi₂Cl₉ CNYs的照片：i) 成卷的CNYs，ii) 承受500g重量，iii) 十字繡"HZNU"圖案，iv) 編織成斜紋織物；c) Cs₃Bi₂Cl₉的XRD圖譜；d) Cs₃Bi₂Cl₉的SEM圖像及元素分布圖；e) Cs₃Bi₂Cl₉與PVDF-TrFE相互作用示意圖；f) PVDF-TrFE和PVDF-TrFE/Cs₃Bi₂Cl₉復合材料的F 1s譜圖；g) Cs₃Bi₂Cl₉及PVDF-TrFE/Cs₃Bi₂Cl₉復合材料的Cl 2p譜圖；h) PVDF-TrFE及其復合材料的ν_as(CH₂)基團FT-IR光譜。

圖2. a–c) PVDF-TrFE CNYs：a) 低倍SEM圖像，b) 高倍SEM圖像，c) 截面SEM圖像及F和Ag元素EDS面分布圖；d–f) 添加0.75 wt.% Cs₃Bi₂Cl₉的CNYs：d) 低倍SEM圖像，e) 高倍SEM圖像，f)橫截面SEM圖像及F和Ag元素EDS面分布圖；g) 不同Cs₃Bi₂Cl₉含量（0 wt.%–1.0 wt.%）的PVDF-TrFE/Cs₃Bi₂Cl₉復合材料的FT-IR光譜，h)β相含量；i)介電常數。

  通過對紡絲牽引速率、鈣鈦礦填料濃度及織物編織結構的協同優化，TENG在最佳條件下實現了83.7 mW m-2的功率密度。該器件展現出卓越的環境穩定性與機械耐久性，在50400次循環測試、長期儲存及多次洗滌后仍保持穩定的電信號輸出。同時，器件具備優良的透氣性與生物相容性，為其在可穿戴電子領域的實際應用提供了可靠保障。

圖3. a) CNY-SE-TENG的工作原理示意圖；b) CNY-SE-TENG的模擬電勢分布圖；c) CNY-SE-TENG電子轉移的電子云勢阱模型；d) 不同牽引速率制備的紗線CNY-SE-TENG的開路電壓；e) 不同Cs₃Bi₂Cl₉負載量CNY-SE-TENG的輸出電壓，f) 短路電流，及g) 轉移電荷。

圖4. a) 不同位移距離， b) 不同頻率下TF-SE-TENG的開路電壓；c) TF-SE-TENG的開路電壓和瞬時功率密度隨不同負載電阻的變化關系；d) 不同施加力作用下TF-SE-TENG的開路電壓；e) TF-SE-TENG的輸出電壓隨施加壓力的變化函數；f) TF-SE-TENG在50400次循環中的穩定性測試。

圖5. a) 本工作與已報道紗線基TENG的功率密度和耐久性對比；b) TF-SE-TENG儲存4個月后的輸出穩定性；c) TF-SE-TENG與其他紡織品的水蒸氣透過率對比；d) 展示TF-SE-TENG透氣性展示；e) TF-SE-TENG、創可貼和TPU薄膜的皮膚刺激性對比。f) B16細胞生長的光學顯微鏡圖像；g) 不同Cs₃Bi₂Cl₉摻入量TF-SE-TENG的水接觸角；h) 紅色染料水滴滴落（上圖）和浸漬（下圖）TF-SE-TENG的過程照片；i) 經過5次洗滌循環后TF-SE-TENG的輸出穩定性。

CNY-SE-TENG的多功能應用

  該研究通過連續共軛靜電紡紗制備的納米紗線，在多個應用場景種展現出良好的潛力：

  1）智能音樂接口：基于CNY-SE-TENG陣列構建了智能古箏系統，將紗線替換傳統琴弦，演奏過程中，指腹撥弦動作可激發相應的電壓信號，由ESP32單片機通過定制化電路進行信號采集與處理，并轉換為控制指令驅動音頻模塊發聲。該系統不僅能準確演奏五聲音階的連續旋律，還可復現《茉莉花》等經典旋律，驗證了其在傳統樂器數字化與智能音樂交互方面的可行性。

  2）自供電通信系統：將CNY-SE-TENG集成于手套指關節處，利用不同彎曲角度產生的電壓脈沖幅度差異進行編碼識別：30°以下彎曲產生低幅脈沖（對應“.”），90°彎曲產生高幅脈沖（對應“-”）。使用者通過時序控制手指動作，成功實現數字序列“2025”的編碼與識別，展示了其在人機交互與簡易通信領域的應用可能性。

  3）智能織物識別：針對二維結構TENG在織物識別中的局限性，將一維CNY-SE-TENG集成于手套食指腹側。當紗線滑過不同紋理織物時，因接觸分離差異產生具有特異性的電壓波形。通過構建一維卷積神經網絡（1D-CNN）對六類織物的信號進行分析，模型在測試集上達到95.83%的準確率，混淆矩陣顯示其對各類紋理均具備高精度識別能力，為基于摩擦電信號的織物表面形貌識別提供了新的思路。

圖6. a) 智能古箏系統的工作流程示意圖；b) 演奏《茉莉花》旋律時智能古箏系統的輸出信號；c) 集成在手套指關節處的CNY-SE-TENG摩爾斯電碼傳輸系統示意圖；d) 安裝在指關節上的CNY-SE-TENG編碼數字序列“2025”的輸出電壓信號。

圖7. a) 織物識別工作流程示意圖；b) 六種織物的摩擦電信號特征；c) 從六種織物采集的數據集可視化；d,e) 訓練周期內的訓練和測試準確率(d)與損失值(e)；f) 六種織物識別的混淆矩陣。

  本研究通過可規模化的靜電共軛紡紗技術，結合多尺度結構工程策略，成功開發出一種高性能的CNY-SE-TENG。該器件在多個領域展現出應用潛力，具體包括用于交互式古箏數字化界面、自供電摩爾斯密碼通信平臺以及基于一維卷積神經網絡的織物識別系統。該研究為開發兼具高性能與良好穿戴兼容性的摩擦電紗線提供了新材料設計與系統集成思路，推動了TENG在智能可穿戴領域的實用化進程。

  論文信息

  標題：Seamlessly Integrated, High-Output and Robust Triboelectric Nanoyarns: Continuously Electrospun Core-Sheath Architectures for Multimodal Sensing Platforms

  作者：Yiqun Chen, Jinrong Huang, Zixuan Liu, Yi Zou, Jianwen Chen, Zunfeng Liu, Yutian Zhu

  期刊：Advanced Functional Materials

  DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.202523166