PVDF-HFP/SWCNT radiation-modulated thermoelectric fibrous membranes enabling synergistic photothermal- thermoelectric conversion
本研究展示了通过静电空气吹纺技术制备的辐射调制 PVDF-HFP/SWCNT 纤维膜，该纤维膜利用相互连接的 SWCNT 网络和非对称光学特性，实现了协同的光热-热电转换，从而在无需外部加热的情况下进行自驱动能量收集。
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世界正朝着一个未来迈进，在那个未来，我们的衣服和设备不仅仅是我们穿戴之物，更是能与环境互动的工具。想象一下，一种可以感知触摸或温度变化的织物，或者一件无需沉重电池就能为小型传感器供电的外套。为了实现这一目标，科学家们正在寻找既具有柔韧性又能将热量转化为电能的材料。这一过程依赖于一种物理现象，即材料两侧之间的温差会产生电压。虽然这种效应众所周知，但将其应用于日常穿着一直非常困难。传统的产热发电材料通常是僵硬、沉重的金属或陶瓷块，无法随人体弯曲。此外，这些材料需要稳定的热流才能工作，而我们在日常生活中经历的自然温差往往太小，不足以产生有效的功率。挑战在于创造一种既足够柔软以便穿着、又足够坚韧以持久使用，且足够智能以通过捕捉阳光来创造自身温差的材料。
一组研究人员开发出了一种新型织物，通过将两种截然不同的功能结合在单层柔性薄片中，解决了这些难题。他们制造了一种由耐用塑料聚合物和单壁碳纳米管（一种极其纤细的管状碳结构）组成的薄膜。他们成功的关键在于一种专门的制造技术，该技术允许他们在不破坏结构的情况下进行分层构建。研究人员并没有将碳纳米管直接混合在塑料溶液中（因为这会导致混合物过稠，无法纺成纤维），而是采用了一种在纤维形成过程中将碳纳米管吹附在塑料纤维表面的方法。这种方法确保了碳纳米管能够沉积在纤维表面以及纤维交叉的点上，从而在保持织物柔韧性的同时，创造出一个连续的电流传输网络。
由此产生的材料是一种黑色、纤维状的薄片，其强度令人惊讶。在测试中，性能最佳的版本能够承受34.71兆帕的拉力，这使其比纯塑料版本要坚韧得多。同时，它的导电率为每米46西门子，这一性能水平使其能够作为一个有效的导体发挥作用。研究人员发现，碳纳米管不仅增强了织物的导电性，还改变了材料与光线的相互作用方式。纯塑料纤维具有高度反射性，会将大部分阳光反射掉，而碳纳米管则非常擅长吸收同样的阳光并将其转化为热量。通过以特定的方式排列这两种特性，团队创造了一个能够产生自身温差的系统。
在实验中，研究人员将薄膜放置在一个有助于散热的表面上，并仅将其中一侧暴露在模拟阳光下。由于暴露的一侧吸收了光线并升温，而覆盖的一侧保持较凉，因此在织物表面形成了约10摄氏度的温差。这种自造的温差足以触发热电效应，使材料产生稳定的电压。在这些条件下，当温差为20度时，该薄膜产生的功率输出为每平方厘米11.25皮瓦。该系统表现出了稳定性，能够随时间保持功率输出，并且在灯光开启和关闭时都能可靠地做出响应。这项工作表明，将采集太阳能并将其转化为电能的能力集成到单一的柔性纺织品中是可行的，为不需要外部热源或刚性组件的自供电可穿戴电子设备开辟了一条新路径。
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