Revolutioneren van zelfsturende wearables: Electrogespoten PTFE nanovezelmembranen leveren ongeëvenaarde sensorprestaties

Samenvatting

Polytetrafluoroethyleen (PTFE) is een fascinerend electretmateriaal breed gebruikt voor energie-opwekking en sensing, en een prestatieverbetering kan verwacht worden door de afmetingen te verkleinen naar nanoschaal vanwege een hogere oppervlakteladingsdensiteit. Daarom demonstreert de huidige studie het gebruik van nanovezelvormig PTFE voor hoogpresterende zelfsturende draagbare sensoren. Het nanovezelvormige PTFE wordt gefabriceerd door electrospinnen met een suspensie van PTFE-deeltjes in verdunnende polyethyleenoxide (PEO) waterige oplossing, gevolgd door een thermische behandeling bij 350 °C om de PEO-component uit de electrogespoten PTFE-PEO nanovezels te verwijderen. De verkregen PTFE nanovezelmembraan vertoont goede luchtdoorlaatbaarheid met drukval vergelijkbaar met gezichtsmaskers, uitstekende mechanische eigenschappen met een trekkracht van 3,8 MPa, en een stabiel oppervlaktepotentieel van −270 V. Door de PTFE nanovezelmembraan simpelweg tussen twee stukken geleidende kledingkatoen te plaatsen, wordt een ademende, flexibele, hoogpresterende nanogenerator (NG) apparaat met een piekvermogen van 56,25 μW geconstrueer. Opmerkelijk is dat deze NG-apparaat direct gebruikt kan worden als een draagbare zelfsturende sensor voor het detecteren van lichaamsbeweging en fysiologische signalen. Kleine elleboogbuiging van 30°, de ritme van ademhaling, en typische hartslagcycli worden duidelijk vastgelegd door de uitgangsgolfvorm van het NG-apparaat. Deze studie demonstreert het gebruik van electrogespoten PTFE nanovezelmembraan voor de constructie van hoogpresterende zelfsturende draagbare sensoren.

Inleiding

Draagbare elektronica wordt beschouwd als een belangrijke klasse van de volgende generatie elektronica vanwege hun brede toepassingen in velden zoals gezondheidsmonitoring, kunstmatige huid en mens-machine interfaces. De bloeiende ontwikkeling van draagbare elektronica heeft een enorme vraag naar draagbare sensoren als basisfunctionele onderdelen van die elektronica gewekt. Grote opportuniteiten ontstaan dus in de ontwikkeling van draagbare sensoren die lichtgewicht, flexibel, rekbaar en conformaal in contact kunnen zijn met bepaalde oppervlakken. Om deze mogelijkheden te bereiken, zijn nieuwe functionele materialen en benaderingen in materiaalverwerking op nanoschaal vereist voor de constructie van sensorapparaten.

Als een van de meest gebruikte draagbare sensoren, kunnen flexibele druksensoren die mechanische kracht effectief omzetten in elektrisch signaal breed worden toegepast voor lichaamsbewegingsdetectie en gezondheidsmonitoring. Recentelijk hebben veel groepen bijgedragen aan de vooruitgang in hoge gevoeligheid en flexibele druksensoren gebaseerd op piezoresistiviteit en capaciteitmechanisme. Echter, deze apparaten worden voornamelijk aangedreven door een externe energiebron, wat ze complex en duur maakt, hun toepassing sterk beperkend. Het is noodzakelijk om een zelfsturende systeem in het apparaat te integreren om de externe voedingseenheid overbodig te maken. Gelukkig is er voldoende energie gegenereerd uit de dagelijkse activiteiten van de mens zoals armbeweging, lichaamswarmte en ademhaling, wat gebruikt kan worden om de sensoren te voeden. Dus zijn verschillende typen nanogeneratoren (NGs) gebaseerd op piezo-elektrisch effect, tribo-elektrisch effect en electrostatisch effect geconstrueerd om menselijke lichaamsenergie effectief te benutten als energiebron voor zelfsturende sensoren.

Polytetrafluoroethyleen (PTFE), als belangrijk lid van zowel de tribo-elektrische als electret-families, is breed gebruikt voor energie-opwekking en sensorapparaten. Vanwege de helicale ketenvorming met een uniforme bedekking van fluoratomen op de koolstofrug, vertoont PTFE goede flexibiliteit, ultra-hoge chemische inertie en uitstekende thermische stabiliteit. Deze kenmerken maken PTFE een fascinerend materiaal voor veel toepassingen, maar veroorzaken ook significante moeilijkheden in de verwerking. Daarom waren de meeste rapporten over het gebruik van PTFE voor energie-opwekking en sensing gericht op het gebruik van commercieel beschikbare PTFE dunne films zonder enige nabehandeling of behandelde films door hoge-kost verwerkingen zoals reactieve ionenetsen. Het is bekend dat het vergroten van het microscopische oppervlakteoppervlak van de tribo-elektrische generator de effectieve oppervlakteladingsdensiteit tegelijkertijd kan verbeteren en dus de uitgangsprestaties bevordert. Recentelijk is het gebruik van electrogespoten PTFE nanovezelmembraan als alternatief voor commerciële PTFE dunne film bewijzen als een effectieve methode om de prestaties van tribo-elektrische NG te promoten, vanwege het veel grotere oppervlakteoppervlak van de eerste. De oppervlakteladingsdensiteit is ook de sleutelfactor die de prestaties van een electret bepaalt, wat suggereert dat electrogespoten PTFE nanovezelmembraan gebruikt kan worden voor de constructie van hoogpresterende electretapparaten.

Hierin rapporteren we over de toepassing van electrogespoten PTFE nanovezelmembraan als een hoogpresterende electret NG voor zelfsturende sensoren. Het ontwerp van dit werk toont verschillende voordelen. Ten eerste werd het zelfsturende sensorapparaat gemonteerd door de electrogespoten PTFE nanovezelmembraan simpelweg tussen twee stukken geleidende stof te plaatsen. Dit fabricatieproces is eenvoudig, laagkost en eenvoudig op te schalen. Ten tweede, in tegenstelling tot PTFE dunne film, vertoont het nanovezelmembraan goede luchtdoorlaatbaarheid. Dus is het gemonteerde sensorapparaat ademend, wat aan de eis van draagbare elektronica voldoet. Ten derde kan het gemonteerde apparaat mechanische energie efficiënt omzetten in elektriciteit met een hoog piekvermogen van 56,25 μW en lange-termijn bedrijfsstabiliteit. Ten slotte, als draagbare sensor, kan het apparaat gevoelig lichaamsbeweging en fysiologische signalen inclusief ademhaling en hartslag monitoreren, wat potentieel toont voor toepassingen in zowel lichaamsbewegings- als gezondheidsmonitoring.

Methoden

Fabricatie van de PTFE nanovezelmembraan

De PTFE nanovezelmembraan werd gefabriceerd door een twee-stappen methode. Ten eerste werd een PTFE-PEO (polyethyleenoxide) nanovezelmembraan gefabriceerd door electrospinnen met een Kangshen KH1001 electrospinmachine. Om de oplossing voor electrospinnen te bereiden, werd 18 g PTFE-suspensie (60 wt%, Aladdin) toegevoegd aan 6,0 g gedemineraliseerd water om een uniforme suspensie te vormen, daarna werd 0,4 g PEO (M_w = 5 × 10⁶, Aladdin) toegevoegd aan de bovengenoemde oplossing om de viscositeit aan te passen. Na magnetisch roeren gedurende 48 uur, werd het mengsel geladen in een 5-ml spuit met een roestvrij staal naaldenpunt. Tijdens het electrospinnen werd een hoge spanning van 25 kV toegepast op het naaldenpunt en de oplossing werd uitgepompt met een snelheid van 1,5 mL h⁻¹. De uitgekte vezels werden verzameld op een roterende metalen trommel met een rotatiesnelheid van 200 toer/min gedurende 1 uur. De afstand tussen het naaldenpunt en de collector was vastgezet op 18 cm. Vervolgens werd de als-gemaakte PTFE-PEO nanovezelmembraan onderworpen aan een thermische behandeling bij 350 °C in omgevingsatmosfeer gedurende 10 min met een opwarmssnelheid van 2 °C min⁻¹ om de PTFE nanovezelmembraan te verkrijgen.

Corona-lading

Voor corona-lading werd de PTFE nanovezelmembraan met één gegronde kant 5 cm onder een corona-naald geplaatst, die verbonden was met een hoge-spanningsbron (DW-N503-4ACDE). Een spanning van −20 kV werd vervolgens 5 minuten lang toegepast op de corona-naald.

Assemblage van het zelfsturende sensorapparaat

Ten eerste werd de corona-geladen PTFE nanovezelmembraan 1 dag bij omstandscondities opgeslagen vanwege de scherpe afname van het oppervlaktepotentieel direct na corona-lading. Vervolgens werd het tussen twee 250-µm-dikke polyethyleentereftalaat-spacers fixerd. Vervolgens werd de PTFE nanovezelmembraan tussen twee geleidende stofelektroden ingesloten om het sensorapparaat te vormen met een effectieve grootte van 4 × 4 cm².

Karakterisering

De morfologie, samenstelling en kristalliniteit van de monsters werden gekarakteriseerd door veldemissie scannende elektronenmicroscopie (FE-SEM, NANOSEM 450, FEI), röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS, ESCALab250, Thermo Scientific), Fourier-transform infraroodspectroscopie (FTIR, Vertex 70, Bruker) en röntgendiffractie (XRD, X' Pert Pro MPD, PANalytical B.V.), respectievelijk. Het oppervlaktepotentieel, mechanische eigenschap en drukval van de membraan werden gedetecteerd door een electrometer (EST102, Huajing Beijing, China), een universele testmachine (REGER RW-T10) en een drukopnemer (DP102, Sike instrumenten), respectievelijk. De uitgangsstroom van het sensorapparaat werd gemeten door een Stanford lage-ruis stroomvoorbereider (Model SR570 en NI PCI-6259). Naast het testen van de uitgangsprestaties van het apparaat met verschillende belastingweerstanden, werden alle overige metingen in kortsluitconditie uitgevoerd.

Resultaten en Discussie

De PTFE nanovezelmembraan werd gefabriceerd door een twee-stappen benadering, zoals schematisch weergegeven in Fig. 1a. Vanwege de uitstekende chemische weerstand van PTFE kan het niet in enige oplosmiddelen worden opgelost, zodat het moeilijk is om PTFE-oplossing direct in nanovezels te electrospinnen. Om dit probleem op te lossen, werd een twee-stappen benadering algemeen gebruikt voor de fabricatie van PTFE nanovezels. Ten eerste werd een nanovezelvormig PTFE-composiet bereid door electrospinnen, met behulp van een wateroplosbaar polymere als drager voor de dispersie van PTFE-deeltjes. Vervolgens werd een post-thermische behandeling toegepast om de drager te verwijderen en PTFE nanovezels te verkrijgen. In deze studie werd PEO gebruikt als drager vanwege de goede wateroplosbaarheid en lage smeltpunt. Met behulp van de PTFE-deeltjes-gesuspendeerde PEO waterige oplossing als precursor voor electrospinnen, werden PTFE-PEO nanovezels met diameters van 500~800 nm met succes verkregen, zoals getoond in Aanvullend bestand 1: Figuur S1. Omdat de kleine hoeveelheid PEO (PEO/PTFE = 1/27 in de precursor-oplossing) de PTFE-deeltjes niet volledig kan verpakken, tonen de als-gemaakte PTFE-PEO nanovezels ruw oppervlak en fase-samenstelling van alleen PTFE (Aanvullend bestand 1: Figuur S1b). Om zuivere PTFE nanovezels te verkrijgen, werd een thermische behandeling toegepast om PEO te verwijderen en PTFE-deeltjes samen te smelten. Volgens een eerdere studie smelt PTFE bij ~327 °C en is thermisch stabiel tot ~500 °C. Dus werd een temperatuur van 350 °C, iets hoger dan het smeltpunt van PTFE, gekozen om PEO te verwijderen en PTFE-nanodeeltjes samen te smelten tot continue nanovezels. Zoals getoond in Fig. 1b, werd een PTFE nanovezelweb met een grootte van 5 cm × 5 cm verkregen na calcinatie. SEM-onderzoek onthulde dat de vezelmorfologie goed behouden bleef na calcinatie (Fig. 1c). De interconnectie van sommige PTFE nanovezels en verdwijning van PTFE-nanodeeltjes op de nanovezels demonstreerden de fusie van deeltjes (inzet van Fig. 1c). De eliminatie van de PEO-component uit de vezels werd onthuld door FTIR-onderzoek. Zoals getoond in Fig. 1d, vertoont het zuivere PEO diverse prominente pieken bij 841, 947, 1059, 1092 en 1342 cm⁻¹, corresponderend met de trillingen van de CH₂ en CO groepen. Aan de andere kant tonen vijf sterke pieken op in het FTIR-spectrum van het zuivere PTFE, waarvan de meest prominente bij 1146 en 1201 cm⁻¹ kenmerkend zijn voor CF₂ symmetrische en asymmetrische rekmodi respectievelijk, en de pieken bij 512, 554 en 639 cm⁻¹ kunnen toegewezen worden aan de rocking, deformatie en wagging modi van CF₂ respectievelijk. De pieken toegewezen aan PEO zijn nog observeerbaar in het spectrum van de electrogespoten PTFE-PEO nanovezelmembraan ondanks de lage inhoud van de PEO-component (aangeduid door de gestippelde oranje lijnen in Fig. 1d). Na gesinterd bij 350 °C verdwenen deze pieken volledig, wat resulteerde in de zuivere PTFE-samenstelling van de nanovezelmembraan.

Figuur 2 toont een reeks karakterisatieresultaten op de PTFE nanovezelmembraan. Vergelijkbaar met de precursor PTFE-PEO monster, bestaat de PTFE nanovezelmembraan uit alleen PTFE-fase. Zoals getoond in Fig. 2a, zijn er twee diffractiepieken gelegen op 18,2° en 31,7° op het XRD-patroon, corresponderend met de (100) en (110) vlakken van PTFE respectievelijk. XPS-onderzoek verduidelijkt verder de samenstelling van zuivere PTFE. Het XPS-patroon vertoont kenmerkende pieken van C 1s en F 1s gecentreerd rond ~286 en ~685 eV respectievelijk (Fig. 2b). Terwijl de kenmerkende piek van O 1s die doorgaans verschijnt bij ~532 eV niet waargenomen kon worden, wat suggereert dat de PEO-component volledig geëlimineerd is tijdens de thermische behandeling. Om de geschiktheid van het gebruik van de PTFE nanovezelmembraan als een draagbare electret sensor te evalueren, zijn de eigenschappen gerelateerd aan de vereisten van deze specifieke toepassing ook gekarakteriseerd. Figuur 2c geeft de drukval weer wanneer lucht door de membraan gaat bij verschillende stroomsnelheden. De drukval houdt een bijna lineair verband met gasstroomsnelheid in de geteste omvang, en de waarden zijn vrij klein, zelfs vergelijkbaar met die van filter gezichtsmaskers, wat de goede luchtdoorlaatbaarheid van de membraan demonstreert. Waarschijnlijk door de interconnectie van het vezelnetwerk, vertoont de membraan ook uitstekende mechanische eigenschappen met een trekkracht van ~3,8 MPa en rek bij breuk van 220% (Fig. 2d), wat voldoet aan de eis van draagbare elektronica. Figuur 2e toont de variatie van het oppervlaktepotentieel van de membraan binnen 30 dagen. De waarde daalt scherp van ongeveer −480 tot −300 V na het opslaan van de membraan bij omstandscondities gedurende 1 dag en daalt daarna langzaam in de volgende 11 dagen, en blijft uiteindelijk stabiel bij −270 V. De goede luchtdoorlaatbaarheid, uitstekende mechanische eigenschappen en stabiele oppervlaktepotentieel van de PTFE nanovezelmembraan onthullen zijn potentiële toepassing voor draagbare zelfsturende sensing.

Gezien de ladingopslagcapaciteit, kon de PTFE nanovezelmembraan gebruikt worden om electret NG te fabriceren. Om de luchtdoorlaatbaarheid te behouden wanneer geïntegreerd in een apparaat, werd commerciële geleidende stof met uitstekende luchtdoorlaatbaarheid gebruikt als elektrode om de electret NG te construeren (Aanvullend bestand 1: Figuur S2). Ten eerste werden de twee uiteinden van de PTFE nanovezelmembraan tussen twee spacers fixerd; vervolgens werd de membraan tussen twee stukken geleidende koolstofkleding ingesloten, vormend het NG-apparaat met een effectieve grootte van 4 cm × 4 cm (Fig. 3a). De negatieve overtollige lading in de PTFE nanovezels zou positieve lading in de boven- enonderelektroden induceren met een totaalbedrag gelijk aan die van de negatieve lading (Fig. 3b). In een statische toestand kon geen lading worden overgedragen vanwege de evenwichtstoestand van de elektrische potentiaalsverdeling. Wanneer de evenwichtstoestand verbroken werd door het indrukken en loslaten van het apparaat, leidde de verandering van de gat tussen de PTFE-membraan en koolstofstofelektroden tot een verandering van de capaciteit en dus tot een herverdeling van de ladingen tussen de twee elektroden, producerend een alternerende transiënte stroom die door de externe circuit vloeide. Het werkmechanisme van deze sandwichstructuur NG is vergelijkbaar met die van gerapporteerde boogstructuur NGs. Niettemin is de NG in het huidige werk veel eenvoudiger te construeren en ademender, vergeleken met die dunne-film-gebaseerde boogstructuur NGs en sommige andere vezel-gebaseerde NGs.

Zoals getoond in Fig. 3c, vertoonde de NG een piekstroom van ~1,5 μA onder een stimulerende kracht van 5 N en een frequentie van 5 Hz. Toen twee NGs parallel met dezelfde polariteit werden aangesloten, was de totale uitgangsstroom bijna de som van elk, wat aangeeft dat de elektrische uitgang van de NGs voldeden aan het lineaire superpositiecriterium in de basis circuitschakelingen. De prestaties van de NG werden verder systematisch bestudeerd onder verschillende krachten en frequenties. Bij een gegeven frequentie namen zowel de piekstroom als de integraal hoeveelheid overgedragen lading (ΔQ) toe met een toename van de stimulerende kracht van 1 tot 5 N (Fig. 3d en Aanvullend bestand 1: Figuur S3a). Een verdere toename van de stimulerende kracht kon de uitgang niet verder promoten omdat ΔQ alleen gedicteerd werd door de amplitude van de gatverandering tussen PTFE-membraan en de elektroden, die al de maximale waarde had bereikt bij een voldoende kracht van 5 N. Ook, door het capaciteitsvariatiemechanisme, hield ΔQ een bijna constante waarde van ~26,9 nC met een variatie van frequentie omdat de amplitude van de gatverandering onafhankelijk was van frequentie (Fig. 3e). Niettemin nam de uitgangsstroom toe met de toename van frequentie bij een gegeven stimulerende kracht (Aanvullend bestand 1: Figuur S3b), omdat dezelfde hoeveelheid lading in een kortere tijd werd overgedragen. Om de maximaal piekvermogen te verkrijgen, werd de uitgangsprestaties met verschillende externe belastingweerstanden bestudeerd bij een frequentie van 5 Hz en stimulerende kracht van 5 N. Zoals getoond in Fig. 3f, bleef de uitgangsstroom bijna onveranderd met een belastingweerstand van 0,1~10 MΩ en daalde vervolgens van ~1,5 tot 0,081 μA met een verdere toename van de belastingweerstand tot 1000 MΩ, wat een interne weerstand van het NG-apparaat tussen 10 en 1000 MΩ impliceert. Op basis van de definitie van vermogen, P = I²R, kon een maximaal piekvermogen van 56,25 μW verkregen worden met een belastingweerstand van 100 MΩ. Dienovereenkomstig werd de interne weerstand van het NG-apparaat afgeleid als ~100 MΩ, omdat het maximaal vermogen van een NG optreedt op voorwaarde dat de interne weerstand overeenkomt met de belastingweerstand. Ten slotte werd de cyclische stabiliteit van de NG geëvalueerd bij een kracht van 5 N en frequentie van 5 Hz. Zoals afgebeeld in Fig. 3g, werd geen duidelijke verslechtering in uitgangsstroom en integraal hoeveelheid overgedragen lading gevonden tijdens 50k cycli, wat de uitstekende cyclische stabiliteit van de NG onthult.

Om het potentieel van het gebruik van de NG als zelfsturende sensor voor lichaamsbewegingsmonitoring te demonstreren, werd het apparaat over het gestrekte ellebooggewricht bevestigd om elleboogbeweging te monitoren. Figuur 4a toont de uitgaande elektrische signalen bij het buigen van het ellebooggewricht tot een reeks hoeken. De stroompulsen zijn duidelijk identificeerbaar zelfs bij een kleine beweging van 30° buiging en worden steeds prominenter bij verhoogde buigingshoeken. Figuur 4b tekent de relatie tussen de uitgang van de NG en de buigingshoek van het ellebooggewricht. Vanwege de gecompliceerde deformatie van het apparaat kon de verandering van het gat tussen de PTFE-membraan en koolstofstofelektroden niet kwantitatief gecorreleerd worden aan de buigingshoek van het ellebooggewricht. Dus kan de relatie tussen de uitgang van het NG-apparaat en de buigingshoek van het ellebooggewricht alleen wiskundig vastgelegd worden maar niet fysiek. Niettemin kan de afhankelijkheid van stroom en overgedragen lading van buigingshoek effectief de toestand van elleboogbeweging aanduiden, wat het potentieel van de NG als zelfsturende sensor voor real-time monitoring van lichaamsbeweging demonstreert.

Naast de toepassing voor lichaamsbewegingsmonitoring, kan de NG ook dienen als zelfsturende sensor voor het monitoren van fysiologische signalen door het apparaat op specifieke posities van het menselijk lichaam te bevestigen. Bijvoorbeeld, wanneer de NG-apparaat op de buik wordt bevestigd, zullen de krimp en expansie van de buik tijdens ademhaling het apparaat stimuleren, wat elektrische signalen genereert die informatie over ademhaling geven. Zoals getoond in Fig. 5a, zijn duidelijke alternerende stroomgolven met een piekwaarde van 6~10 nA geregistreerd, wat goed overeenkomt met het ademhalingsritme van een volwassen man met een frequentie van ~20 keer per minuut. Het NG-apparaat kan ook gebruikt worden voor hartslagmonitoring wanneer bevestigd op de borst of pols. De regelmatige pulsering van het hart of de slagader zal het NG-apparaat stimuleren om corresponderende periodieke stroomsignalen te produceren als sporen van de hartslag. Dit is de zogeheten ballistocardiografie-methode, welke mechanisme gebaseerd is op het volgen van subtiele mechanische bewegingen gegenereerd door de uitstorting van bloed tijdens de hartslagcyclus. Figuur 5b presenteert de uitgang van het NG-apparaat bevestigd op de borst van een man, waaruit 23 duidelijke stroompieken in 20 s onmiskenbaar geïdentificeerd kunnen worden, wat een hartslagfrequentie van ~69 slagen per minuut suggereert. Deze waarde ligt in het bereik van de normale omvang voor een gezonde jonge man (60~100 slagen per minuut). Verder is het signaal in staat om uitgebreid geïnterpreteerd te worden om informatie over de details van elke hartslagcyclus te extraheren, wat nuttig is voor auxiliaire cardiovasculaire diagnostiek. Als voorbeeld in Fig. 5c, volgt de elektrische golfvorm expliciet de drie processen van een typische hartslagcyclus, te weten: presystole (F–G–H), systole (I–J–K) en diastolische (L–M–N) stadia. In vergelijking met de meting van de aortapolsgolf nabij het hart, is het monitoreren van de perifere arteriële pols door het NG-apparaat op de romp te bevestigen, gemakkelijker. Figuur 5d toont het geregistreerde stroomsignaal van de NG bevestigd op de pols. De scherpe stroompieken op het patroon registreren duidelijk het ritme van de radialis slagader met een frequentie van ~72 keer per minuut. Figuur 5e is een vergroot beeld van de golfvorm, waaruit twee hoofdpieken onderscheiden kunnen worden: de incidente bloedstroom piek P₁ en de gereflecteerde piek P₂ van de handregio. Op basis van de amplitude van deze pieken kan de radiale arteriële augmentatie-index (AI_x = P₂/P₁), als een belangrijke indicator van cardiovasculaire ziekten en doelorgaan schade, berekend worden. Volgens de verkregen data werd een statistische waarde van ~54% verkregen, wat een normale cardiovasculaire toestand suggereert voor een 33-jarige man.

Conclusies

Samenvattend, het huidige werk rechtvaardigde de geschiktheid van het gebruik van electrogespoten PTFE nanovezelmembraan voor de constructie van hoogpresterende zelfsturende draagbare sensoren. PTFE nanovezelmembraan werd met succes gefabriceerd door electrospinnen met een PTFE-PEO waterige suspensie en een post-thermische behandeling om de PEO-component te elimineren. Vanwege de goede luchtdoorlaatbaarheid en uitstekende mechanische en electret-eigenschappen, kon het gefabriceerde NG-apparaat gebaseerd op de electrogespoten PTFE nanovezelmembraan effectief mechanische energie omzetten in elektriciteit met een hoog piekvermogen van 56,25 μW en lange-termijn cyclische stabiliteit, wat het potentieel toont om gebruikt te worden als een gevoelige zelfsturende draagbare sensor. Inderdaad werd de NG gedemonstreerd als een uitstekende draagbare sensor die kwantitatief lichaamsbeweging en biologische signalen inclusief ademhaling en hartslag kon monitoreren, wat de potentiële toepassing in draagbare elektronica voor lichaamsbeweging en gezondheidsmonitoring impliceert.

Beschikbaarheid van data en materialen

Alle data gegenereerd in deze studie zijn opgenomen in het artikel en het aanvullende bestand.

Afkortingen

FE-SEM:

Veldemissie scannende elektronenmicroscopie

FTIR:

Fourier-transform infraroodspectroscopie

NG:

Nanogenerator

PEO:

Polyethyleenoxide

PTFE:

Polytetrafluoroethyleen

XPS:

Röntgenfoto-elektronspectroscopie

XRD:

Röntgendiffractie