摩擦电纳米发电机（TENGs）作为一种新兴的机电转换（MEC）技术，以其优异的自主供电和自供电传感功能而受到越来越多的关注。由于材料来源广泛、结构设计多样、对环境影响最小、以及低频时令人满意的转换效率，TENGs在可穿戴应急电源、个性化医疗、人机交互等方面具有广阔的应用前景。然而，由于其较低的MEC性能，限制了其进一步的发展和实际应用。

为了有效提高摩擦学材料的摩擦电输出，人们提出了结构优化、电荷补偿、能量管理等一系列策略。但大多数摩擦学材料，尤其是常用的可穿戴生物聚合物，其机械驱动的电荷转移和输运能力仍存在明显不足。目前，研究人员试图通过增强材料的给电子或吸电子能力改善这一问题，例如采用接枝、聚合、掺杂等常规化学改性手段抑制摩擦电生物聚合物的电荷耗散，但这类方法往往依赖复杂的化学处理工艺，不仅增加了制备成本，还存在导致材料原有性能（如生物相容性、力学柔性）恶化的风险，难以满足低成本、大面积生产的需求。因此，从摩擦电材料的内在组成或结构优化的角度直接设计高电荷输出的摩擦电材料至关重要。

近日，中国科学院北京纳米能源所董凯团队在期刊《Advanced Materials》上，发表了最新研究成果“A Universal Orientation-Engineering Strategy for Enhancing Mechano-Electric Conversion Performance in Semi-Crystalline Biopolymers”，第一作者为天津工业大学和中国科学院北京纳米能源所联合培养的博士生何劲。该团队通过高压高速协同静电纺丝技术开发了一种具有相变极化和增强载流子迁移的取向调节丝素蛋白纳米纤维（SFNs），并提出一种用于提升半结晶生物聚合物机电转换性能的取向工程策略。

研究发现，高压极化过程中的应力诱导赋予SFNs优异的摩擦电性能，使其输出功率密度较未取向纤维提升3倍。这主要源于应力诱导下的SFNs在逐渐取向的过程中，分子结构从无序的α-螺旋结构转变为有序的堆叠β-折叠结构，分子内氢键转变分子间氢键，缩短了分子链间的距离，增强了载流子在分子链间的传递。此外，分子链的有序排列不仅提高了聚合物的极性，还优化了电荷陷阱的比例分布，进而大幅提升了材料的界面电荷转移能力与体向电输运效率。该研究进一步验证了取向工程设计在改善摩擦电性能方面的有效性，对高性能摩擦电生物聚合物的理论机制研究与实际应用开发具有重要的意义。

图1 丝素蛋白的多层次结构及其取向诱导的聚集结构调控策略。a）丝素蛋白多级层次结构示意图。b）在静电纺丝针的高压静电牵引力和接收辊高速卷绕力的协同作用下，取向调节的SFNs制备示意图。c）SFNs在静电纺丝不同阶段的聚集结构演化。

如图1a所示，天然蚕丝具有错综复杂的多层次结构，该结构主要包括由氨基酸残基构成的一级多肽链结构、以β-片层与α-螺旋为典型特征的二级结构，以及由β相组装形成的三级结构等。高速静电纺丝技术可以有效调节丝素蛋白的分子链聚集结构。如图1b所示，在静电纺丝针的高压静电牵引力和接收辊的高速卷绕力的协同作用下，可实现对SFNs取向度的调控。

图2 SFNs的应力诱导取向设计与表征。a）不同取向的SFNs静电纺丝过程的高速快照、SEM图像和2D SAXS衍射图案。b）SFN在不同卷绕速度下的分布比。c）卷绕速度与取向系数之间的对应关系。d）不同取向系数下SFNs的拉伸模量。

图2对比了不同绕线速度下静电纺丝过程的高速照片以及SEM照片。随着卷绕速度从200 r/min提升至3200 r/min，SFNs的取向系数从0增至0.36，纤维形态也从无序杂乱分布逐步转变为沿应力场方向的有序排列。并通过SASX衍射图，计算得到了不同卷绕速度下收集的SFNs的对应取向系数，为纤维取向度的定量分析提供了支撑。

图3 取向系数对SFN结构和性能的影响。a）不同取向系数下SFNs的FTIR光谱，b）不同取向系数下的α螺旋结构和β折叠结构的比例。c）一维电子密度相关函数K（z）。d）不同取向系数下SFN的结晶区厚度（dc）和长周期长度（L）。e）不同取向系数下结合的氢键和游离氢键的比例。f）SFNs取向的多尺度结构演化模型。

图3对比了不同系数下，SFNs的内部结构的变化趋势。随着取向系数的增大，分子构象从无序的α螺旋结构逐步向有序堆叠的β折叠结构过渡；同时，分子链沿力场方向发生滑移与重组，形成更为规整的结晶区。取向过程涉及三个层级的变化：微观分子链中氢键重组（包括α 螺旋内氢键断裂、β折叠间的氢键形成）、介观聚集结构中无序-有序相变，以及宏观纤维网络的各向异性组装。

图4 取向的SFNs摩擦电输出性能。a-c）不同取向系数下SFNs的电荷密度、功率密度和充电能力的比较。d）Kelvin probe测量的不同取向系数下SFNs的电位图(使用尺寸为15×15 mm2)。e）沿水平方向提取的电位分布曲线。f）模拟的不同方向系数下SFNs的势分布。g）低取向系数和h）高取向系数之间SFNs的3D AFM表面形态和2D表面电位图。

图4对比了不同取向系数下SFNs的摩擦电特性。经取向调控的SFNs，其摩擦电性能显著提升。SFNs摩擦电输出性能与取向系数呈强相关性。电荷密度随取向系数增大显著增加，峰值功率密度从1 mW/m2升至3 mW/m2；0.47 μF电容器充电到1.5 V的时间从60 s缩短至30 s。表面电势分析显示，高取向SFNs因有序结构形成明显的电势梯度分布，而无序纤维的电势分布较为均匀，这一差异进一步验证了取向对电荷输出的增强作用。

图5 取向调控的界面电荷转移和体电荷传输特性。a）不同取向系数下SFNs的介电常数。b）不同取向系数SFNs的带隙变化。c）陷阱能级和密度分布。d）不同取向系数SFNs的深陷阱和浅陷阱分布比例。e）不同取向系数的SFNs的载流子迁移率。f）不同取向系数SFNs的介电损耗。g）不同取向系数下SFNs的体漏电流和 h）表面传导电流。i）SFNs中的潜在电荷耗散途径。

图5分析了不同取向系数SFNs的电学特性。取向工程策略优化了电荷转移与传输机制，提升其电荷性能。在界面电荷转移方面，高取向SFNs的介电常数增大、带隙缩小，能够增强极性并降低电荷跃迁能垒；在体电荷传输方面，浅陷阱比例升高、载流子迁移率提升，促进电荷SFNs聚合物内部的输运。

图6 通过取向优化提高摩擦电性能的机理理论分析。a）不同取向系数的丝素蛋白分子链结构演化模型。b）丝素蛋白分子链模型的bader电荷密度差分。c）不同取向系数之间的电子耦合和重组能的比较。d）分子内和分子间平均氢键长度随取向系数的变化。e）丝素蛋白链中分子内和分子间氢键的演化。f）不同取向系数下的HOMO-LUMO能级。g）不同取向系数下的投影态密度（PDOS）。h）电荷传输途径示意图。

总结

该团队开发了一种通用取向工程策略，通过诱导SFNs的相变极化与载流子迁移增强，成功实现半结晶生物聚合物摩擦电性能的大幅提升。研究过程中，团队构建了SFNs的多尺度结构演化模型，系统阐明了多尺度结构演化（涵盖分子构象转变、聚集结构有序化、纤维排列规整化）对机电转换的协同作用机制。这项工作为高性能摩擦电生物聚合物的分子设计与结构调控提供了关键理论指导，对推动TENGs的应用及可穿戴能源器件的创新发展提供了重要助力。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202510157