王中林院士团队AFM：新型多功能织物，舒适、发电还能净化空气！

随着人工智能快速发展，纺织品被赋予传感、显示等新功能，但其稳定运行依赖持续能源供应。现有动力纺织品常将纤维状超级电容器、太阳能电池等柔性电源集成到织物中，但受限于阳光、温度梯度等外部因素，且多层堆叠结构导致穿着舒适性差、机械稳定性低、透气性不佳，反复洗涤还会破坏电学性能。尽管摩擦纳米发电机（TENG）具有轻量、低成本优势，传统设计仍需复杂多层结构，静电击穿现象更制约了功率密度提升。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、王杰研究员、刘迪团队提出一种基于界面静电击穿效应的单层动力纺织品。该设计仅需在普通织物中嵌入单根导电纤维（c-fiber），即可高效收集人体机械能，同时保持穿着舒适性。其功率密度达0.4 W/m²/Hz（人体摆臂时），较现有产品提升近2倍，并产生6 kV安全高压，兼具空气净化与抗菌功能。织物经1万次工作循环、20次洗涤或汗液浸泡后，性能依然稳定。研究还建立了包含64种纺织材料对的摩擦电序列表，为规模化应用提供指导。相关论文以“A Multifunctional Power Textile Based on Interfacial Electrostatic Breakdown”为题，发表在Advanced Functional Materials。

颠覆性设计解析

传统动力纺织品依赖多层堆叠或核壳纤维结构（图1a左），不仅笨重僵硬，还阻碍湿气交换。新方案将导电银镀尼龙纤维直接缝入棉织物（图1a右），形成单层结构（图1b）。其核心创新在于利用织物摩擦时界面产生的静电击穿效应：当聚四氟乙烯（PTFE）织物与棉织物滑动摩擦时，电荷在界面击穿放电（图1c），导电纤维通过静电感应捕获能量（图1d）。这一机制突破传统TENG的静电击穿限制，输出电荷达100 nC，同时高压放电产生微等离子体释放负离子（图1d）。以皮革-聚氨酯涂层织物为例，平均功率密度达0.4 W/m²/Hz（图1e），远超同类产品。

图1. 设计的单层动力纺织品的结构与性能。

舒适性与耐用性验证

单层设计完整保留纺织品固有特性（图2a）。对比实验显示：嵌入导电纤维的棉织物（c-fiber cottex）透气性达621 mm/s，透湿性211 g/m²/h（图2c,d），与普通棉织物相当；抗压与抗拉伸性能无衰减（图2e,f）；经20次洗涤后电荷保持率超95%，电镜观测显示纤维结构完好（图2g）。川端评价系统证实其满足人体运动需求，彻底解决多层织物闷热、僵硬问题。

图2. 单层动力纺织品的综合性能。

电学性能优化

团队系统测试了织物参数影响：三种基础编织结构（平纹、斜纹、缎纹）输出性能无显著差异（图3a）；编织密度变化几乎不影响发电（图3b）；柔性导电纤维比金属丝电极更易集成（图3c）；纤维直径优选0.1 mm（接近棉纤维）以提升摩擦效率（图3d）。关键发现是导电纤维缝于织物表面时，输出电压比内置位置高40%（图3e-g），因更接近电荷源。此外，单层纺织品经万次循环后性能稳定（图3h），且输出电流随运动频率增加而提升（图3i）。

图3. 单层动力纺织品的电学性能。

材料库与抗菌功能

研究建立包含皮革、涂层织物等64种材料对的摩擦电序列（图4），输出电荷跨度达10-122 nC，为应用提供选材指南。独特的高压特性还带来健康益处：工作时负离子浓度达2840万离子/cm³（环境空气仅260离子/cm³）（图5b）。实验证明，这些负离子可显著降低PM2.5浓度（图5a），对大肠杆菌的抑菌率达48.14%（图5c,d），通过破坏微生物遗传物质实现杀菌（图5a）。

图4. 使用单层动力纺织品发电的常见纺织材料对的摩擦电序列。

图5. 单层动力纺织品的抗菌效应。

人体应用展示

在实际慢跑测试中（图6a），即使汗液分泌率达0.54 mL/min/cm²（图6b），缝于腰部的导电纤维仍稳定输出110 nC电荷（图6c）。该纺织品可直接驱动警示灯（图6d），或通过电源管理电路（PMC）为电子表、温湿度计供电（图6e）：充电3秒即可支持手表运行65秒（图6f）。团队据此构建自供电系统（图6g），实现运动数据监测与环境感知，为户外场景提供便携能源。

图6. 单层动力纺织品的人体评估。

结语与展望

这项研究开创性地利用界面静电击穿效应，以单层结构解决动力纺织品舒适性与高性能的矛盾。其安全高压特性拓展出空气净化和抗菌新功能，配合量化材料数据库，为大规模生产铺平道路。未来通过集成柔性电路与传感器，该技术有望推动自供电健康监测、人机交互系统发展，重塑智能纺织品应用范式。

来源：高分子科学前沿

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