杨如森课题组在氨基酸分子晶体设计和摩擦纳米发电机研究中取得突破

gongbai

摩擦纳米发电机(TENG)可以收集环境中微弱的机械能，并将其转化为电能，在人工智能、海洋能源收集、健康检测等领域有着广阔的应用前景。基于有机生物分子材料如蛋白质的-NH2基团容易失去电子的特点，在环境友好型TENG领域受到越来越多的关注。但是，这些蛋白质的羧基属于电负性基团，其产生的负电荷可能削弱摩擦电效应，如何优化材料的得失电子能力来提高TENG的输出性能一直是研究热点。
       近日，西安电子科技大学杨如森教授、特拉维夫大学Ehud Gazit教授通过手性选择和电场调控两步法优化缬氨酸的分子空间排列，有效地把晶体的羧基末端固定在基底上，氨基暴露于接触面，促进电荷分离，实现摩擦性能的大幅度提高。首先，将不同手性的缬氨酸分子通过PVD生长得到了不同形貌和结构的组装体，其中L-和D-缬氨酸组装成单斜晶系的晶体，展示出3D有序的垂直阵列结构，而DL-缬氨酸组装成三斜晶系的晶体，展示出2D水平膜结构。原子力显微镜测试和理论计算表明L-缬氨酸晶体具有最高的表面电势和分子间静电势，其次是D-缬氨酸晶体，而DL-缬氨酸晶体的表面电势和分子间静电势最低。这是由于它们的分子空间排列不同而导致的。将不同手性的缬氨酸组装体制备成摩擦纳米发电机，结果表明有序空间排列的L-缬氨酸垂直阵列的输出电压和电流比DL-缬氨酸膜的分别高1.5和1.3倍。此外，在自组装过程中施加的电场来调控分子在晶体的空间排列，在57N力作用下，2kV电压下生长的L-缬氨酸的TENG的输出电压、电流和功率密度分别为240 V、2.3 µA和263 mW m-2，比不加电压下生长得到L-缬氨酸晶体分别高2.14、2.19和2.84倍。因此该研究表明电场可以使分子定向排列，并且有效提高摩擦发电性能。除了用于能量采集外，自供电的传感器可以用于感知身体运动，如人体行走、膝关节运动和肘部运动，TENG还可以通过手的简单敲击点亮24盏红色发光二极管(LED)，驱动商用计时器和液晶显示器(LCE)。

图1手性缬氨酸的生长机理、形貌和结构

          本工作设计具有较强失电子能力的有序缬氨酸晶体作为摩擦正极材料，研究发现缬氨酸形貌、晶体结构、表面电势和分子间静电势与手性息息相关。L-缬氨酸具有3D有序阵列结构，展示出较高的表面电势和分子间静电势，在生长过程中施加电场可以使L-缬氨酸的氨基和羧基定向排列，进一步优化了晶体结构，从而提高TENG的性能。优化后的L-缬氨酸阵列TENG产生的最大电压为~ 240 V，比未优化的DL-缬氨酸薄膜的TENG提高了3.2倍以上。高性能的TENG可以点亮24盏红色发光二极管（LED），驱动商用定时器，并可以作为应变传感器来监测身体运动。这项工作展示了通过材料的合理选择和电场调控可以优化晶体结构来提高生物材料的摩擦性能，为设计具有实际应用价值的高性能生物电子器件提供了可能。该成果以“The engineering of molecular packing in amino acid crystals for the enhanced triboelectric effect”为题发表于期刊《Nano Energy》上。袁慧博士和张娇娇博士为论文第一作者。
        原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108375
       文章来源：西电
       杨如森，西安电子科技大学“华山学者”特聘教授，博士生导师。分别于1998年、2001年在吉林大学获得物理专业学士学位和凝聚态物理硕士学位。2007年在美国佐治亚理工学院获得材料科学与工程博士学位；从事博士后研究3年后，2010年任美国明尼苏达大学机械工程学院助理教授，现任西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院教授。
杨如森教授长期从事新型纳米材料合成、及其在新型能源和传感器应用。在国际上首次制备出包括纳米环，超小单晶纳米弹簧，极性可控压电生物材料等功能微纳结构，发现精确控制纳米线阵列取向的生长方法，参与了纳米能源的开创性研究，利用压电电子效应在先进传感器方向取得突破。三次组织了美国材料学会年会的纳米能源分会；应邀在国际学术会议上做特邀报告10余次；获得纳米能源奖（Nano Energy Award, 2017），美国3M公司杰出青年教授奖（3M Non-tenured Faculty Award, 2014）和美国自然科学基金早期职业生涯奖（NSF Career Award，2012）；并于2013年被明尼苏达大学授予McKnight Land-Grant教授称号。已在Science, Nature Nanotech, Nano Lett, Adv. Mat.，J. Am. Chem. Soc.，Appl. Phys. Lett.等国际著名期刊上发表论文70余篇，被引用7,000余次。