静电纺丝制备可食用纳米发电机及其应用

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资源灾难和气候变化的严重警告,使得开发交替、可持续和清洁的能源被认为是当今世界最重要的目标。纳米发电机(NG)是一种纳米级的能够将外界环境的机械能转换成电能的能量收集器件。同时,它也被证明是一种简单的、低成本的、结构稳固的、效率较高的收集机械能的途径。由于纳米发电机在制备的过程中多使用有毒的有机溶剂,而且使用的有机材料会影响人们的身体健康,易对环境和人体造成危害,并且使得纳米发电机很难有与人体直接接触的应用,尤其是在婴儿用品中。下一代便携式和智能电子系统将是可生物降解的、生物相容的、弹性的和柔性的,来保证它们与环境健康和人体紧密结合。本论文针对纳米发电机的绿色可降解以及可食用性进行了研究。首先,我们提出并设计了一种利用羧甲基壳聚糖与羧甲基纤维素钠通过静电纺丝技术制备的摩擦电纳米发电机,采用双电极结构,具有遇水快速溶解、绿色可食用的特性。羧甲基壳聚糖是一种水溶性壳聚糖衍生物,有许多特性,如抗菌性强,具有保鲜作用,是一种两性聚电解质。羧甲基纤维素钠是纤维素的羧甲基化衍生物,是最主要的离子型纤维素胶,由于其具有一定的凝胶作用,有利于食品更好地形成凝胶,因此能够用于制造果冻和果酱等;其也可以作为可食性的涂膜材料,与其他增稠剂复配使用,涂抹在一些食品表面,可最大程度地使食品保鲜,且由于是可食性材料,对人体健康不会造成不良影响。通过对两种摩擦材料的ICR小鼠急性全身毒性试验,表明了它的可食用性。可以用于婴儿用品,来减少被婴儿误食后的危害,更重要的是提出了一种思想,可食用纳米发电机的应用将远远超出这些,未来,基于可食性纳米发电机可以设计出更多的应用。另外,我们使用聚己内酯(PCL)和聚乳酸(PLA)设计了一种可食用的纳米发电机。在外界的冲击频率为1Hz时,它的输出电压可以达到30 V,输出电流可以达到400 n A。PCL具有良好的生物相容性、良好的有机高聚物相容性,以及良好的生物降解性,可用作细胞生长支持材料,可与多种常规塑料互相兼容,自然环境下6-12个月即可完全降解。PLA是一种新型的生物降解材料,使用可再生的植物资源(如玉米等)所提出的淀粉原料制成,其具有良好的生物可降解性,在医药领域应用也非常广泛,如可生产一次性输液用具、免拆型手术缝合线等。由于该纳米发电机具有绿色可降解,以及生物兼容的特性,再加上瞬时输出功率密度的增加,可食用性纳米发电机的应用可以得到更为广泛的应用。关于可食用性纳米发电机的研究也会越来越充分。
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