清潔水源與綠色電能是人類社會可持續(xù)發(fā)展的科技保證。因此如何收集離散水能（如霧滴、雨滴）并高效地轉(zhuǎn)換其機械能為電能需要進一步研究。近日，華中科技大學材料學院蘇彬課題組最新研究成果“A superhydrophobic droplet-based magnetoelectric hybrid system to generate electricity and collect water simultaneously”發(fā)表在國際著名材料雜志《Advanced Materials》。上述論文設計新型的柔性磁電復合材料體系，將超疏水表面引入到課題組2019年開發(fā)的柔性磁電材料體系中 （見圖1所示），提出了一種全新的收集環(huán)境離散水能的研究模型，同時實現(xiàn)了凈水收集和電能轉(zhuǎn)換。該研究為環(huán)境集水發(fā)電一體化的研究提供了新的思路和方法。
圖1. 超疏水磁電復合模型的制備及發(fā)電機理
該研究通過在柔性磁電體系內(nèi)部引入由超疏水表面和丙三醇液滴構(gòu)成的彈性中間層，使導電部分與磁性基底分隔開來。其中，由于低的表面能，丙三醇液滴與上下的超疏水接觸面的接觸呈現(xiàn)Cassie態(tài)。在外界壓力作用下（水滴滴落），丙三醇發(fā)生受力形變，Cassie態(tài)的接觸轉(zhuǎn)變成Semi-Cassie態(tài)。由于該形態(tài)的可恢復性，當外力作用消失時（水滴從超疏水頂面脫離樣品），丙三醇液滴的Semi-Cassie的接觸恢復到Cassie態(tài)，由此實現(xiàn)樣品內(nèi)部導電線圈與磁性基底之間的相對位置的可逆改變。根據(jù)法拉第電磁感應定律，當閉合導電線圈與磁性基底之間的距離發(fā)生改變時，線圈內(nèi)的磁通量發(fā)生改變，從而產(chǎn)生誘導電動勢發(fā)電。
圖2. 超疏水磁電復合體系在下落水滴的作用下超疏水/丙三醇彈性中間層產(chǎn)生的形態(tài)變化及該變化的磁場仿真計算通過線圈的磁通量
利用高速攝像技術(shù)，該團隊對超疏水磁電復合體系在下落水滴的作用下的形態(tài)變化進行了監(jiān)測（圖2）。結(jié)果顯示，當水滴滴落在樣品頂面時，其中的超疏水/丙三醇彈性中間層發(fā)生了如機理預期的形態(tài)變化。基于該形態(tài)變化引起的磁電相對距離的改變，該團隊進行了磁場仿真模擬計算，來研究磁/電部分相對位置變化引起的通過線圈的磁通量變化。
作為超疏水磁電復合體系樣品的對照實驗，該研究對未進行超疏水處理的器件進行了對比研究。如圖3所示，超疏水基樣品對下落水滴有明顯的電學信號響應（綠色曲線）。與之相反，對于未進行中間層超疏處理的對照樣品，中間層表面對丙三醇液滴有親液浸潤性，因此丙三醇在其中不能保持獨立的液滴狀態(tài)而只能以液膜的形態(tài)存在。在同樣的外力作用下（水滴滴落），丙三醇液膜柔性支撐層只能呈現(xiàn)微小的變化，因而其電學響應遠遠小于經(jīng)過超疏處理的樣品（橘紅色曲線）。該結(jié)果突出了對超疏水中間層的重要性。
圖3 對樣品的丙三醇中間層進行/未進行超疏水處理的對比研究
圖4. 集收集環(huán)境離散水源與發(fā)電于一體的超疏水磁電復合模型
該研究進一步向超疏水磁電復合體系引入了仙人掌仿生結(jié)構(gòu)，使其在收集分散微型水滴的同時，對其能量勢能轉(zhuǎn)化而來的動能進行轉(zhuǎn)化并以電能的形式輸出（如圖4所示）。
該研究最大的意義在于采用了一種全新的磁電復合體系，從超浸潤界面的研究視角切入，將具有機電轉(zhuǎn)換功能的磁電復合體系與特定超疏水的表面設計相結(jié)合，并引入仿生設計，得到了收集環(huán)境離散型水源（如霧、雨水等）與發(fā)電一體化的超疏水基電磁模型。
材料學院馬征博士后為論文第一作者，在蘇彬教授的指導下完成。該研究得到國家自然科學基金海外高層次人才基金，博士后基金，華中科技大學人才引進基金等項目的資助。
