石峰：收集环境中的能量用于发电的光响应性功能协同智能器件

shenjingbing

微传感器和微机电系统广泛应用于可穿戴电子设备、超灵敏化学-生物传感器、纳米机器人等各个领域。这些小型的电子产品所需能量很小，现如今，电池仍然是首要选择。然而，电池有限的容量及使用寿命无法满足对持续供电的需求。功能协同智能器件是将多种材料或表面集成到一个器件中，在外界的刺激下，能够有序地完成一系列复杂的任务。近年来，基于“功能协同智能器件”这一概念所制备的迷你发电机将物体的往复运动与法拉第电磁感应定律相结合，实现了动能到电能的有效转换，为解决上述问题提供了一条新的途径。然而，当前设计出的迷你发电机依赖于过多的人工操作以及有用能源的消耗，如溶液酸碱性的调节、压力的施加/释放等，因此如何收集环境中未被广泛利用的能量，如光能、废热等等，并通过智能器件转换为电能，是目前所面临的挑战。

近日，北京化工大学石峰教授团队开发了一种光响应性的功能协同智能器件作为迷你发电机，可以直接收集环境中的太阳光用于器件自身的垂直运动，结合法拉第电磁感应定律实现了机械能向电能的转化。所制备的功能协同智能器件由三部分组成，上半部分是一种超亲水的方形盒子，用于束缚一定量的气体，下半部分是一个超疏水的圆柱体，一方面用于减少流体阻力，另一方面用于携带圆形小磁铁，磁铁用于产生磁场。当光照射到器件内部时，基于光热效应，器件内部束缚的气体开始膨胀，使器件密度逐渐减小，当小于水的密度时，开始上浮运动；脱离光源后，内部的气体开始收缩，器件密度逐渐增大至初始状态，开始下潜运动。

图1. 光驱动智能器件的制备及红外光下器件的上浮下潜运动

器件往复的垂直运动会带动磁铁相对于铜线圈运动，改变磁通量，从而产生感应电压。研究人员探究了红外光功率对输出电能的影响，发现随着红外光功率的增大，输出电压以及发电效率都是增大的，且在4.2 W下，得到的能量转换效率为2.4 × 10-3%，输出电压可达到1.7 V。

作者发现，该体系输出的电能可以驱动5个LED小灯泡发光。此外，他们还对器件的运动寿命进行考察，发现器件可以在光照下持续运动8小时以上，且输出的电能保持稳定。

作者进一步试图用太阳光驱动器件运动，发现器件在太阳光照射下可以很好地上浮下潜运动，且能够持续稳定地输出电能。这是首次利用环境中的能量实现智能器件在垂直方向上的可控运动及其在发电方面的应用。这一研究结果提供了一种绿色、可持续的能量转换策略，推动了“功能协同智能器件”这一概念的发展，为智能材料和材料科学的研究提供了新的思路。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是北京化工大学的硕士研究生杨潇和成梦娇副教授。

该论文作者为：Xiao Yang, Mengjiao Cheng, Lina Zhang, Shu Zhang, Xiaolin Liu, Feng Shi

Electricity Generation through Light-Responsive Diving-Surfacing Locomotion of a Functionally Cooperating Smart Device

Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201803125