一、文章概述
自亚历山德罗·沃尔特（AlessandroVolta）提出第一个电池的概念以来，强电鱼产生外部放电的能力激发了科学家们对人工电源的设计。强电鱼通过利用体内离子梯度从而产生惊人的外部放电能力；其中这类生物中最强大的一种（大西洋鱼雷射线），可以从其电子器官中产生超过1kW的脉冲。尽管在自然界中对这种现象进行了广泛的研究，但基于离子梯度人工发电方案的开发，以用于便携式、可穿戴或可植入人体的应用仍然遥不可及。此前，受电鳗启发的人造电子器官证明，堆叠水凝胶内的离子梯度产生的电压可以超过V。然而，这种电源的电流太低，无法为标准电子设备供电。基于此研究背景，近日，瑞士弗里堡大学阿道夫默克尔研究所的科研人员受鱼雷射线独特形态启发，开发了一种具有最大电流输出的人造电子器官。与最初受鳗鱼启发的设计相比，由此产生的电力增加了近两个数量级，这使得为电子设备供电成为可能，并确定了生物学产生大量电能的机制，而现在可以从便携式且柔软的材料中实现。相关论文以题为“PoweringElectronicDevicesfromSaltGradientsinAA-Battery-SizedStacksofHydrogel-InfusedPaper”发表在国际材料学顶尖期刊AdvancedMaterials（IF=27.）上。具体来说，为了最大限度地提高电流而不是电压，研究人员开发了一种实用的方法，可以快速堆叠具有可调表面积的极薄薄片（μm），以组装电活性重复单元，这些单元让人想起鱼雷射线电子器官中的电细胞堆叠（图1）。为此，作者引入了一种混合材料，该材料由注入水凝胶的薄多孔支架组成。这项工作所报道的人造电子器官与其前身相比具有四项优势：（1）它可以以实用且快速的方式制造、操作和堆叠任意大小的薄水凝胶薄膜。（2）其引入了一种模块化策略，使这些薄凝胶片的重复序列接近同步接触，从而实现具有理想重复单元数和表面积的凝胶堆叠的可重构串行或并行排列。（3）它提供了一个简单的、机械支持的平台来优化水凝胶成分以及其他系统参数。（4）它支持平面和轧制组装策略；轧制特别有吸引力，因为它在工业上用于纸张和薄膜，生产速度非常快，并且可以自动化。
二、图文导读
鳐鱼电器官的解剖和纸凝胶电器官的设计。
a）T.nobiliana具有直径达1m的扁平盘状体。一对电子器官位于射线身体的两侧。每个器官都是平行排列的横向柱，由数百到数千个串联的电细胞组成（插图，左）。这些薄而大面积的细胞的组织让人联想到薄片的堆叠。为清晰起见，此处的电细胞未按比例绘制；如果按比例绘制单元格的小厚度和相邻单元格之间的小间距，将使它们无法相互区分。当被射线的神经系统激活时，每个电细胞从钠和钾通过其细胞膜中的离子选择性通道蛋白的不对称通量产生约60mV的跨细胞电位（插图，右）。
b）纸凝胶电风琴的原理。注入水凝胶的纸片以重复的四聚体序列堆叠以产生加性电位（插图，右）。红色水凝胶由不带电荷的单体聚合而成，并储存浓缩的盐溶液。绿色水凝胶含有带负电荷的单体，对阳离子的渗透具有选择性。蓝色水凝胶含有不带电单体和稀盐溶液。黄色水凝胶含有带正电荷的单体，对阴离子的渗透具有选择性。扫描电子显微镜（SEM）图像（插图，左）显示了单个纸凝胶的横截面。
c）串联和并联堆叠这些四聚体凝胶电池分别线性缩放电压和电流。
用纸凝胶电池为LED供电。
a）红色、黄色和绿色LED的照片描绘了它们与不同的纸凝胶堆叠串联时的亮度。当八个串联的纸凝胶电池用作电源时，只有红色LED灯微亮。添加具有8个平行纸凝胶电池的第二个堆栈或将单个堆栈从8个串联纸凝胶电池扩展到16个纸凝胶电池，将堆栈的总功率输出增加到1.6mW，并可以为所有LED供电并提高亮度。黄色LED需要32μA的最小电流才能打开，这可以通过两叠8个凝胶电池并联来实现。绿色LED的正向电压为3.2V，因此只有在将堆栈的开路电压增加到接近或高于3.2V后才会亮起。
b）（a）中相邻堆叠的开路电压（蓝色条）和横截面积（绿色条）。
纸凝胶电子器官支持多种结构，以用于快速组装堆叠的水凝胶薄膜。染料用于清晰显示四种不同的水凝胶组合物（红色=高盐度凝胶；绿色=阳离子选择性凝胶；蓝色=低盐度凝胶；黄色=阴离子选择性凝胶）。
a）将纤维素纸片转化为电活性纸凝胶堆叠的过程的图示。使用商用激光切割机在纸上打孔。将水凝胶前体滴涂到每张穿孔纸上，纸的芯吸作用自发地将其涂上一层液体薄膜，然后用紫外光固化。将四种水凝胶组合物的薄片分层成一叠，然后沿着重叠的穿孔撕开。将所得亚基重新堆叠以形成几个串联的四聚体纸凝胶细胞的堆叠。
b）按照（a）中描述的程序，一种简单的撕裂和堆叠方法将一个纸凝胶电池转换为四个串联电池。插图显示了单个堆叠如何沿其穿孔撕裂并重新堆叠两次以使串联堆叠的电池数量增加四倍。
c）滚动然后切割一个纸凝胶电池，产生了三个串联的大面积重复单元。在创建四种不同的大面积纸凝胶（左）后，它们按顺序分层，然后绕杆（中）滚动三圈。沿着指定的切割线切割卷并展开以产生三个串联的大面积纸凝胶电池（右）。
三、论文信息
PoweringElectronicDevicesfromSaltGradientsinAA-Battery-SizedStacksofHydrogel-InfusedPaper
AdvancedMaterials（IF=27.）
PubDate:-06-24
DOI:10.2/adma.01757
AnirvanGuha,TrevorJ.Kalkus,ThomasB.H.Schroeder,OliverG.Willis,ChrisRader,AlessandroIaniro,MichaelMayer*
AdolpheMerkleInstitute,UniversityofFribourg,ChemindesVerdiers4,Fribourg,Switzerland
柔性电子材料与器件
