随着物联网、人工智能和可穿戴电子技术的迅速发展，柔性电子设备对无电池、自主供能系统的需求日益增长。纱线型摩擦纳米发电机(Y-TENGs)凭借柔软、透气及易于织物集成等优势，在人体运动能量采集与可穿戴设备供能方面展现出广阔前景。然而，传统纱线结构存在有效接触面积不足、界面相互作用薄弱及电荷泄漏等问题。因此，在实际应用中，制备兼具高效能量转换、稳定电荷保持能力和柔性可织性的摩擦电纱线，仍是一项重要挑战。
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王萍、张岩教授团队和文震教授团队在期刊《Advanced Functional Materials》上发表了最新研究成果“Hierarchically Aligned Core–Shell Yarn-Shaped Triboelectric Yarns With Coupled High-Density Charge Trapping and Efficient Transport”。研究者通过共轭静电纺丝，构筑了定向并列式摩擦电纱线（aligned side-by-side triboelectric yarn，ASS-TY）。该纱线以银镀尼龙纱为导电芯，以定向聚偏氟乙烯（PVDF） 纳米纤维为介电壳层，在壳层内部形成连续的并列式（side-by-side，SBS）结构。
这一设计把宏观结构有序化与微观分子链取向结合起来，连续排列的纤维网络降低界面电荷传输阻力，为电荷沿纱线轴向传输提供通道；相邻纤维之间的线接触界面则引入高密度深陷阱，帮助电荷被有效俘获并抑制泄漏。最佳16 wt% PVDF溶液制备的ASS-TY可实现最高40 m h-1的连续生产，深陷阱能级达到1.02 eV，深陷阱密度为1.83×1021 eV-1 m-3，约为非SBS结构的5倍，可用于自供能压力感知和手势识别，在可穿戴电子设备和自供能人机交互等领域中具有潜在的应用前景。
图1：ASS-TY对齐的并排摩擦电纱线的制造和形态。
在共轭静电纺丝过程中，通过调节PVDF溶液浓度，最终在16 wt%条件下获得结构清晰、轴向取向良好的SBS纤维结构（图1a）。高压电场和单轴牵伸共同促进PVDF分子链取向及β相晶体形成。扫描电镜图像显示，定向微/纳米纤维连续包覆在银镀尼龙芯纱周围，并在纤维内部形成多尺度的核-壳结构（图1b、c），为增强界面电荷俘获与促进轴向电荷传输奠定了结构基础。
图2：深陷阱机制与ASS-TY的电荷保持能力。
如图2a所示，在三维模拟中定向SBS纤维层的表面电势为36.5 V，高于随机取向纤维层的32 V。SBS结构中的线接触界面可形成更多结构缺陷和深能级陷阱，使转移电荷得到更长时间的限制；非SBS结构主要依赖分散在单根纤维中的浅陷阱，电荷更容易耗散。等温表面电势衰减分析进一步证实，ASS-TY具有更强的深陷阱俘获能力。与此同时，SBS薄膜在100 Hz下的介电常数由非SBS结构的1.77提高到4.0，表明更高的界面密度增强了界面极化和电荷承载能力。
图3：ASS-TY基摩擦纳米发电机（ASS-TENG）的输出、稳定性与压力响应和与其他TENG的性能比较。
图4：ASS-TENG的能量存储、可穿戴供能与手势通信应用。
研究者将ASS-TY组装为垂直接触–分离式摩擦纳米发电机，器件的开路电压、短路电流和最大功率密度分别达到197 V、1.72 μA和131.2 mW m⁻²，并在7200次循环后保持稳定输出。在1–30 N压力范围内，器件表现出良好的线性响应，灵敏度达4.34 V kPa⁻¹（R²=0.993），可为电容充电、点亮300个LED并驱动无电池秒表。将其缝入手套后，器件能够识别手指弯曲和握拳动作，并通过摩尔斯电码实现信息传输。ASS-TY凭借均一材料SBS核–壳结构实现的深陷阱储电与导电芯高效传输协同，以及连续制备、柔软可织和自供能感知等优势，在智能纺织、可穿戴人机交互、运动监测和应急通信等领域展现出良好的应用前景。
论文链接：
//doi.org/10.1002/adfm.78604
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