摩擦電納米發(fā)電機可以檢測出佩戴者處于危險或殘疾狀態(tài)，因為它可以感知步行，跑步，跳躍和靜止之間的差異。圖片來源：加州大學洛杉磯分校和麥克馬斯特大學

想象一下這樣一種設備，即使在最激烈的火災下也能經受得住，因此當消防員無法上班時，它可以自動向其他人發(fā)出信號。

加州大學洛杉磯分校的研究人員和其他兩所大學的同事設計了首款阻燃，自熄運動傳感器和發(fā)電機。該設備的尺寸只有四分之一，可以嵌入消防員，石油鉆探或從事涉及極端溫度或惡劣環(huán)境的工作人員穿著的鞋子或衣服中。

這項研究發(fā)表在《納米能源》雜志上，該研究由加州大學洛杉磯分校材料創(chuàng)新學系Myung Ki Hong博士，加州大學洛杉磯分校加利福尼亞納米系統(tǒng)研究所成員理查德·坎納（Richard Kaner）領導。

自供電傳感器是一種摩擦電納米發(fā)電機。當一種材料碰到另一種材料時，摩擦帶電會通過電子交換產生能量，在這種情況下，設備本身以及穿戴者的衣服或皮膚，或者設備以及地面。該現(xiàn)象與在地毯上摩擦腳后觸摸門把手時會產生電擊的現(xiàn)象相同。

該設備被科學家稱為FRTENG（“阻燃摩擦電納米發(fā)電機”），因為它可以感知步行，跑步，跳躍和靜止之間的差異，因此可以檢測出佩戴者處于危險或殘疾狀態(tài)。

UCLA的助理研究員，該研究的合著者Maher El-Kady說：“不同的運動會產生具有不同電壓和電流的電信號。” “這些不同的電流使我們能夠識別是否有人在移動以及如何移動-例如，該設備可以集成到消防員的鞋子中，并在緊急情況下無線發(fā)送幫助信號�！�

新設備由碳氣凝膠制成，這種碳氣凝膠既輕巧又在高溫下穩(wěn)定，因此非常適合極端條件。圖片來源：加州大學洛杉磯分校和麥克馬斯特大學

摩擦電納米發(fā)芽機已經存在，但由于它們使用易燃塑料和紡織品等材料，因此當前的模型無法承受火災或極端溫度，坎納說，他也是化學，生物化學以及材料科學與工程學的杰出教授。

為了克服這一障礙，新設備由研究人員發(fā)明的碳氣凝膠制成。氣凝膠非常輕巧（占其體積的95％是空氣），并且在高溫下穩(wěn)定，這使其非常適合用于阻燃設備。

El-Kady說：“碳氣凝膠有效地導電，并包含對環(huán)境無害的材料�！� “由于氣凝膠很輕，佩戴者甚至不會感覺到該裝置�！�

為了形成氣凝膠，研究人員將甲醛和間苯二酚這兩種化學物質與聚丙烯腈纖維和氧化石墨烯片混合，它們的厚度僅為幾納米，納米相當于十億分之一米，或大約寬度的1 / 75,000。人發(fā)-產生凝膠。納米纖維和納米片為超輕材料提供了支撐。

然后，他們將凝膠干燥以除去液體中的含量，并在一個充滿氫氣的小腔室內對其進行加熱，留下了耐用但輕巧的碳氣凝膠納米復合材料。

該研究的第一作者，麥克馬斯特大學的訪問學者阿卜杜勒薩蘭·艾哈邁德（Abdelsalam Ahmed）說：“利用摩擦帶電，碳氣凝膠可充當運動傳感器和發(fā)電機�！� 與傳統(tǒng)的依靠電池供電的傳感器不同，這種新設備可以無限期運行，而無需任何電源�！�

為了測試設備的耐火性，科學家將其暴露在丁烷火焰中90秒鐘。他們發(fā)現(xiàn)，它不僅沒有散發(fā)火焰，而且還在自熄。而且，即使在200攝氏度下，該設備的結構也得以保留，其電輸出保持穩(wěn)定。在那種溫度下，大多數(shù)傳統(tǒng)的摩擦電器件會失去性能甚至著火，坎納說。

卡迪（El-Kady）表示，這種新設備還可以用于太空任務，例如跟蹤宇航員的生命體征或產生應急電源。極端溫度通常會阻止太空飛行期間使用其他電子設備。