形状记忆聚合物（SMP）是一种具有刺激响应功能的智能材料。对热响应形状记忆聚合物而言，在高于转变温度 (融化温度或者玻璃化转变温度) 对材料进行变形，保持形变降温后可以锁定一个临时形状；当去除外力升温到转变温度以上，由于聚合物熵弹性的驱动，材料又回复到初始的形状。这种独特的性能使得形状记忆聚合物在生物医用器件，柔性机器人，柔性电子器件和航空航天领域都有着广泛的应用。近年来，基于接触起电和静电感应原理的摩擦纳米发电机（TENG）被开发出来用于能量收集器，自驱动的压力、运动和化学等检测传感器。制备具有高拉伸、可变形和形状适应性的功能器件，在柔性机器人和可穿戴/植入式电子设备和健康医疗等许多方面显示出了巨大的应用前景。

成果简介

最近，美国佐治亚理工学院的H. Jerry Qi教授与中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长、美国佐治亚理工学院校董教授王中林院士，苏州大学的孙宝全教授合作（共同通讯作者），博士生刘瑞远，博士后匡晓和博士生邓佳楠利用热响应形状记忆聚合物制备了一种可以收集生物机械能和探测生物运动信号的摩擦纳米发电机。通过结合形状记忆材料的独特性能和离子导电液体电极的可流动性，这种摩擦纳米发电机可以随着不同使用要求改变并且维持特定形状。除了能够采集机械能，这种装置还可以作为一种多功能的可穿戴柔性自驱动传感器，该工作展示了功能材料在能量采集器件，自驱动传感器和柔性机器人中的新应用。研究人首先利用一种含有光固化丙烯酸酯和半结晶性热塑性聚己内酯（PCL）的混合物杂化树脂，通过光固化制备一个半互穿聚合物网络的弹性体。在室温下，PCL形成微小的晶体均匀分散在弹性体内部，在材料拉伸时起到抑制微裂纹扩展和提高材料模量与韧性的作用。同时，PCL形成一个物理交联网络，起到形状记忆开关相的作用，赋予材料形状记忆的功能。通过调节形状记忆弹性体中PCL含量，可以得到断裂伸长率达900%，形状固定率近100%，形状回复率达97%的大应变形状记忆弹性体，这显示出了这种材料优异的机械性能与形状记忆性能。进一步在聚合物空腔内部注入离子导电的液体（如氯化钠水溶液），制备出了具有形状记忆功能的单电极TENG器件。通过结合形状记忆弹性体的独特性能和离子导电液体电极的可流动性，这种柔性的TENG表现出高拉伸性能和形状适应性能。该器件在1000 MΩ的匹配电阻下，得到了282 mW/m2的最大输出功率，在手动拍打器件收集能量的情况下可以在180 s内将一个100 μF容量的电容器充到1.5 V，能够用于驱动一个电子手表，并成功应用于缓解腕间隧道综合征的智能夹板上。该研究成果以“Shape Memory Polymers for Body Motion Energy Harvesting and Self-Powered Mechanosensing”为题，发表在近期的Advanced Materials上。