尼龍，這種以韌性著稱的常見材料，出現(xiàn)在服裝、繩索、輪胎簾子線等日常用品中。但因其內(nèi)部電荷排列無序，很難被視作發(fā)電材料。近期，澳大利亞皇家墨爾本理工大學研究團隊在《自然·通訊》雜志上發(fā)表了一項突破性成果。他們開發(fā)出一種柔性尼龍薄膜，可以通過擠壓產(chǎn)生電能，即使被汽車多次碾軋，依然能穩(wěn)定發(fā)電。這項新技術(shù)讓尼龍兼具韌性與高壓電性能，為其應用于可穿戴設(shè)備、智能基礎(chǔ)設(shè)施等奠定基礎(chǔ)。

該論文聯(lián)合通訊作者阿姆加德·雷茲克副教授在接受本報記者采訪時介紹，柔性尼龍薄膜使用的是尼龍11，原料取自可再生蓖麻油，其本身就以堅韌耐磨著稱，且具備可降解特性。在實驗中，借助專門的電聲耦合平臺，在壓電襯底上施加兆赫茲級高頻電信號，可同時產(chǎn)生局部高電場和強烈的表面振動。這種聲波與電場的協(xié)同作用實現(xiàn)了兩大關(guān)鍵效果。首先，促使尼龍11形成一種壓電性能極強的特殊晶體結(jié)構(gòu)。通俗來說，普通尼龍內(nèi)部的分子像一盤散沙，受力時無法產(chǎn)生明顯的電信號;而這種特殊晶體結(jié)構(gòu)則能讓分子像士兵一樣整齊列隊，從而賦予材料將機械能轉(zhuǎn)化為電能的能力。過去，想要獲得這種晶體結(jié)構(gòu)需要極其復雜的低溫拉伸工藝，而該團隊利用電聲耦合技術(shù)，一步到位地誘導出了高度有序的分子結(jié)構(gòu)，從根源上賦予了材料高效發(fā)電的能力。其次，同步完成材料的電極化規(guī)整，使所有分子電荷方向統(tǒng)一，省去了傳統(tǒng)工藝中先誘導特定晶相再施加高壓進行極化處理的繁瑣步驟，消除了規(guī)模化制造的主要障礙。

經(jīng)過這樣處理的尼龍薄膜，在嚴苛環(huán)境下依然能持續(xù)發(fā)電。論文第一作者、博士研究生羅伯特·科姆列諾維奇表示：“這種薄膜設(shè)備極其堅韌，即使經(jīng)歷折疊、拉伸，甚至被汽車碾軋，依然能持續(xù)發(fā)電。”這種既柔韌又耐用的特性，使其在傳統(tǒng)可穿戴設(shè)備領(lǐng)域大有用武之地。例如，嵌入衣物或鞋墊的尼龍薄膜，可將人體運動產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能，為隨身傳感器或微型電子設(shè)備供電，無需頻繁更換電池。更具想象力的場景在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域。雷茲克說，在道路基礎(chǔ)設(shè)施中嵌入尼龍薄膜，能將過往車輛產(chǎn)生的機械振動轉(zhuǎn)化為電信號。這些信號既可用于監(jiān)測和統(tǒng)計車流量，也能為分布式傳感器、交通標志或其他道路智能技術(shù)提供輔助電源，為搭建大面積、長壽命的能量收集系統(tǒng)開辟了新路徑。

鄭州大學橡塑模具國家工程研究中心副教授陸波對本報記者表示，這項研究的核心創(chuàng)新在于，將兆赫茲級電聲耦合技術(shù)引入壓電聚合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)調(diào)控，突破了尼龍11等非氟壓電材料在晶相、取向與極化方面難以同步優(yōu)化的技術(shù)瓶頸。該工藝具有一步完成、低能耗的優(yōu)勢，而且其原料兼具可回收與可生物降解特性，為化解傳統(tǒng)含氟壓電材料(如PVDF)帶來的環(huán)境風險提供了綠色方案，也為可持續(xù)能量采集、可穿戴醫(yī)療及人機交互等柔性電子器件奠定了材料基礎(chǔ)。

不過，從理論實驗走向產(chǎn)業(yè)化，該成果仍面臨不小的挑戰(zhàn)。陸波認為，目前該技術(shù)僅在實驗級小尺寸樣品上獲得驗證，大面積制備中的聲場均勻性、高溫高濕環(huán)境下的性能穩(wěn)定性仍有待突破，且襯底工藝與現(xiàn)有薄膜產(chǎn)線的兼容性尚需進一步驗證。“開發(fā)規(guī)模化、符合工業(yè)標準的生產(chǎn)設(shè)備和工作流程，將是邁向商業(yè)化部署的重要一步。”雷茲克表示，這不僅涉及如何制造出更大尺寸的薄膜，還在于如何從工業(yè)化量產(chǎn)的角度優(yōu)化制造參數(shù)。目前，該團隊正積極與紡織品制造商、可穿戴技術(shù)公司等探討合作，推動這一新材料早日應用于實際產(chǎn)品與基礎(chǔ)設(shè)施中。