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成功创建了发电的凝胶“凝胶-驻极体”
~期待作为轻量柔软的运动传感器应用于可穿戴健康护理~
2024.04.18新
NIMS (国立研究开发法人物质材料研究机构)
国立大学法人北海道大学
学校法人明治药科大学
由NIMS、北海道大学和明治药科大学组成的研究小组开发出了能够在内部稳定保持多种静电荷的凝胶材料(凝胶-驻极体)。
概要
由NIMS、北海道大学和明治药科大学组成的研究小组开发出了能够在内部稳定保持多种静电荷的凝胶材料(凝胶-驻极体)。 由于嵌入了该凝胶的可自由变形的电极具有将人体运动等产生的低频振动作为电压信号输出的传感器功能，因此有望应用于可穿戴健康护理等。
近年来，对能够适应健康护理和机器人学等软电子学的、柔软、轻量且能够自行发电的材料的期待越来越高。 不使用外部电源就能持续保持静电荷的驻极体材料可以应用于振动发电元件，由稳定静电荷的π共轭色素部位和柔软的支链烃(烷基)链构成的难挥发性常温液体(烷基–π液体)作为具有流动性的液体驻极体，由NIMS主导 该烷基-π液体显示出优异的带电特性，而且由于可以有效利用涂布和渗透等方法，成型加工性优异，但由于是流体，因此在电极制作时的固定化和密封上存在问题。 另外，为了提高发电功能，还需要进一步增大带电量。
此次研究小组通过在烷基-π液体中加入微量的低分子凝胶剂，使储能模量增加了4千万倍，成功地创造了容易固定化和封装的凝胶(烷基-π凝胶)。 此外，该凝胶经带电处理后得到的凝胶-驻极体与母材(液体)相比，带电量提高了24%，这是因为凝胶化提高了将静电荷封闭在内部的效果。 此外，嵌入凝胶-驻极体的灵活电极元件对于17 Hz的低频振动，显示出输出600 mV (比液体元件大83% )的振动传感器功能。
今后，我们的目标是通过进一步提高带电特性(带电量、带电寿命)和凝胶强度，提高元件性能，作为可追随微弱振动和各种变形变形的可穿戴传感器实现实用化。 另外，本凝胶材料可以回收，再利用于振动传感器元件，因此也有望作为有利于循环经济的材料。
本研究由NIMS纳米体系结构材料研究中心( MANA )前沿分子组窑山瑛人研修生(北海道大学-NIMS合作研究生院)、名仓和彦研究员中西尚志本研究成果于2024年4月11日在学术杂志《angewandte Chemie international edition》上在线公开。 新闻稿中的图: ( a )烷基–π液体和烷基–π凝胶的照片。 ( b )烷基–以π凝胶为基材制作的振动传感器元件对17 Hz振动的响应。
刊登论文
题目: alkyl–πfunctional molecular gels:control of elastic modulus and improvement of electret performance
作者: Akito Tateyama (在单独窗口中打开)、Kazuhiko Nagura (在单独窗口中打开)、Masamichi Yamanaka、Takashi Nakanishi (在单独窗口中打开)
杂志: angewandte Chemie international edition
刊登日期: 2024年4月11日
DOI : 10.1002/anie.202402874
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