Elektrogesponnene Polytetrafluorethylen-Nanofasermembran für energieautarke Hochleistungssensoren

Einführung

Tragbare Elektronik wurde aufgrund ihrer breiten Anwendung in vielen Bereichen wie Gesundheitsüberwachung, künstliche Haut und menschlich-interaktive Schnittstellen als eine wichtige Klasse der Elektronik der nächsten Generation angesehen [1, 2]. Die boomende Entwicklung tragbarer Elektronik hat zu einer enormen Nachfrage nach tragbaren Sensoren als grundlegender Funktionsbestandteil dieser Elektronik geführt [3]. Große Chancen liegen daher in der Entwicklung von tragbaren Sensoren, die leicht, flexibel, dehnbar sind und sich konform mit bestimmten Oberflächen berühren können. Um diese Fähigkeiten zu erreichen, sind neuartige funktionelle Materialien und Ansätze in der Materialbearbeitung im Nanomaßstab für den Bau von Sensorgeräten erforderlich [4,5,6].

Als eine der am häufigsten verwendeten tragbaren Sensoren finden flexible Drucksensoren, die mechanische Kraft effektiv in elektrische Signale umwandeln können, eine breite Anwendung für die Körperbewegungserkennung [7] und die Gesundheitsüberwachung [8, 9]. In letzter Zeit haben viele Gruppen zur Weiterentwicklung hochempfindlicher und flexibler Drucksensoren auf der Grundlage von Piezoresistivität [10] und Kapazitätsmechanismen [11, 12] beigetragen. Diese Geräte werden jedoch hauptsächlich von einer externen Energiequelle gespeist, was sie kompliziert und teuer macht und ihre Anwendung stark einschränkt. Um das externe Netzteil zu entsorgen, ist es notwendig, ein autarkes System in das Gerät zu integrieren. Glücklicherweise wird durch die täglichen Aktivitäten des Menschen wie Armbewegungen, Körperwärme und Atmung genügend Energie erzeugt [13], die zur Stromversorgung der Sensoren verwendet werden könnte. Daher wurden verschiedene Arten von Nanogeneratoren (NGs) basierend auf dem piezoelektrischen Effekt [14], dem triboelektrischen Effekt [2] und dem elektrostatischen Effekt [15] konstruiert, um die menschliche Körperenergie effektiv als Energiequelle für batterielose Sensoren zu nutzen.

Polytetrafluorethylen (PTFE) wird als wichtiges Mitglied sowohl der triboelektrischen als auch der Elektret-Familie häufig für Energy-Harvesting- und Sensorgeräte verwendet [16,17,18]. Aufgrund seiner helikalen Kettenkonformation mit einer gleichmäßigen Bedeckung von Fluoratomen auf dem Kohlenstoffrückgrat weist PTFE eine gute Flexibilität, ultrahohe chemische Inertheit und ausgezeichnete thermische Stabilität auf. Diese Eigenschaften machen PTFE zu einem faszinierenden Werkstoff für viele Anwendungen, verursachen aber auch erhebliche Schwierigkeiten bei der Verarbeitung. Daher konzentrierten sich die meisten Berichte über die Verwendung von PTFE für Energy Harvesting und Sensorik auf die Verwendung von kommerziell erhältlichen PTFE-Dünnfilmen ohne jegliche Nachbehandlung [17, 18] oder behandelten Filmen durch teure Verarbeitung wie reaktive Ionen Ätzen [19, 20]. Es ist allgemein bekannt, dass eine Vergrößerung der mikroskopischen Oberfläche des triboelektrischen Generators gleichzeitig seine effektive Oberflächenladungsdichte erhöhen kann und damit auch seine Ausgangsleistung fördert [21]. Kürzlich hat sich die Verwendung von elektrogesponnenen PTFE-Nanofasermembranen als Alternative zu kommerziellen PTFE-Dünnfilmen aufgrund der viel größeren Oberfläche der ersteren als wirksame Methode zur Förderung der Leistung von triboelektrischer NG erwiesen [22]. Die Oberflächenladungsdichte ist auch der Schlüsselfaktor, der die Leistung eines Elektrets bestimmt, was darauf hindeutet, dass elektrogesponnene PTFE-Nanofasermembranen für den Bau von Hochleistungs-Elektretvorrichtungen verwendet werden können.

Hier berichten wir über die Anwendung von elektrogesponnenen PTFE-Nanofasermembranen als Hochleistungs-Elektret-NG für energieautarke Sensoren. Das Design dieser Arbeit weist mehrere Vorteile auf. Zuerst wurde das Sensorgerät mit eigener Stromversorgung zusammengebaut, indem die elektrogesponnene PTFE-Nanofasermembran einfach mit zwei leitfähigen Stoffstücken verbunden wurde. Dieser Herstellungsprozess ist einfach, kostengünstig und leicht skalierbar. Zweitens weist die Nanofasermembran im Gegensatz zu einem dünnen PTFE-Film eine gute Luftdurchlässigkeit auf. Somit ist die zusammengebaute Sensorvorrichtung atmungsaktiv und erfüllt die Anforderungen an tragbare Elektronik. Drittens kann das zusammengebaute Gerät mit einer hohen Spitzenleistung von 56,25 µW und einer langfristigen Betriebsstabilität mechanische Energie effizient in Elektrizität umwandeln. Schließlich kann das Gerät als tragbarer Sensor Körperbewegungen sowie physiologische Signale wie Atmung und Herzschlag sensibel überwachen und zeigt so das Anwendungspotenzial sowohl für die Körperbewegung als auch für die Gesundheitsüberwachung.

Methoden

Herstellung der PTFE-Nanofasermembran

Die PTFE-Nanofasermembran wurde durch ein zweistufiges Verfahren hergestellt. Zuerst wurde eine PTFE-PEO (Polyethylenoxid)-Nanofasermembran durch Elektrospinnen mit einer Kangshen KH1001-Elektrospinnmaschine hergestellt. Um die Lösung für das Elektrospinnen vorzubereiten, wurden 18 µg PTFE-Suspension (60 Gewichtsprozent, Aladdin) in 6,0 µg entionisiertes Wasser zu einer einheitlichen Suspension gegeben, dann 0,4 µg PEO (M _w =5 × 10 ⁶ , Aladdin) wurde in die obige Lösung gegeben, um ihre Viskosität einzustellen. Nach 48 h magnetischem Rühren wurde die Mischung in eine 5-ml-Spritze mit einer Nadelspitze aus rostfreiem Stahl gegeben. Während des Elektrospinnens wurde eine Hochspannung von 25 kV an die Nadelspitze angelegt und die Lösung mit einer Geschwindigkeit von 1,5 mL h ⁻¹ . aus der Nadel gepumpt . Die ausgestoßenen Fasern wurden auf einer rotierenden Metalltrommel mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 200 U/min für 1 Stunde gesammelt. Der Abstand zwischen der Nadelspitze und dem Kollektor wurde auf 18 cm festgelegt. Dann wurde die so hergestellte PTFE-PEO-Nanofasermembran einer thermischen Behandlung bei 350 °C in Umgebungsatmosphäre für 10 min mit einer Heizrate von 2 °C min ⁻¹ . unterzogen um die PTFE-Nanofasermembran zu erhalten.

Corona Charging

Zur Koronaaufladung wurde die einseitig geerdete PTFE-Nanofasermembran 5 cm unterhalb einer Koronanadel platziert, die mit einer Hochspannungsquelle (DW-N503-4ACDE) verbunden war. Eine Spannung von – 20 kV wurde dann für 5 min an die Koronanadel angelegt.

Zusammenbau des Sensorgeräts mit eigener Stromversorgung

Zuerst wurde die koronageladene PTFE-Nanofasermembran 1 Tag lang bei Umgebungsbedingungen gelagert, da ihr Oberflächenpotential unmittelbar nach der Koronaladung stark abfiel. Anschließend wurde es zwischen zwei 250 µm dicken Polyethylenterephthalat-Abstandshaltern fixiert. Anschließend wurde die PTFE-Nanofasermembran in zwei leitfähige Gewebeelektroden eingelegt, um die Sensorvorrichtung mit einer effektiven Größe von 4 × 4 cm ² . zu bilden .

Charakterisierung

Die Morphologie, Zusammensetzung und Kristallinität der Proben wurden durch Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FE-SEM, NANOSEM 450, FEI), Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS, ESCALab250, Thermo Scientific), Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR .) charakterisiert , Vertex 70, Bruker) bzw. Röntgenbeugung (XRD, X' Pert Pro MPD, PANalytical BV). Das Oberflächenpotential, die mechanischen Eigenschaften und der Druckabfall der Membran wurden mit einem Elektrometer (EST102, Huajing Beijing, China), einer Universalprüfmaschine (REGER RW-T10) bzw. einem Drucktransmitter (DP102, Sike Instruments) erfasst . Der Ausgangsstrom des Sensorgeräts wurde mit einem rauscharmen Stromvorverstärker von Stanford (Modell SR570 und NI PCI-6259) gemessen. Neben dem Testen der Ausgangsleistung des Geräts mit unterschiedlichen Lastwiderständen wurden alle anderen Messungen im Kurzschlusszustand durchgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

Die PTFE-Nanofasermembran wurde durch einen zweistufigen Ansatz hergestellt, wie schematisch in Abb. 1a gezeigt. Aufgrund der hervorragenden chemischen Beständigkeit von PTFE kann es in keinem Lösungsmittel gelöst werden, so dass es schwierig ist, PTFE-Lösung direkt zu Nanofasern zu elektrospinnen. Um dieses Problem zu lösen, wurde im Allgemeinen ein zweistufiger Ansatz für die Herstellung von PTFE-Nanofasern verwendet [23, 24]. Zunächst wurde ein nanofaseriger PTFE-Verbundstoff durch Elektrospinnen hergestellt, wobei ein wasserlösliches Polymer als Träger für die Dispersion von PTFE-Partikeln verwendet wurde. Dann wurde eine postthermische Behandlung angewendet, um den Träger zu entfernen, um PTFE-Nanofasern zu erhalten. In dieser Studie wurde PEO aufgrund seiner guten Wasserlöslichkeit und seines niedrigen Schmelzpunkts als Träger verwendet. Unter Verwendung der wässrigen Lösung von PEO mit suspendierten PTFE-Partikeln als Vorstufe für das Elektrospinnen wurden erfolgreich PTFE-PEO-Nanofasern mit Durchmessern von 500 bis 800 nm erhalten, wie in Zusätzliche Datei 1:Abbildung S1 gezeigt. Da die geringe Menge an PEO (PEO/PTFE =1/27 in der Vorläuferlösung) die PTFE-Partikel nicht vollständig verpacken kann, zeigen die so hergestellten PTFE-PEO-Nanofasern eine raue Oberfläche und Phasenzusammensetzung von nur PTFE (Zusatzdatei 1:Abbildung S1b ). Um reine PTFE-Nanofasern zu erhalten, wurde eine thermische Behandlung angewendet, um PEO und verschmolzene PTFE-Partikel miteinander zu entfernen. PTFE schmilzt nach einer früheren Studie bei ~ 327 °C und ist bis ~ 500 °C thermisch stabil [24]. Daher wurde eine Temperatur von 350 °C, etwas höher als die Schmelztemperatur von PTFE, gewählt, um PEO zu entfernen und PTFE-Nanopartikel miteinander zu verschmelzen, um kontinuierliche Nanofasern zu bilden. Wie in Fig. 1b gezeigt, wurde nach der Kalzinierung eine PTFE-Nanofaserbahn mit einer Größe von 5 cm × 5 cm erhalten. Die SEM-Studie zeigte, dass die Fasermorphologie nach der Kalzinierung gut erhalten blieb (Abb. 1c). Die Verbindung einiger PTFE-Nanofasern und das Verschwinden von PTFE-Nanopartikeln auf den Nanofasern demonstrierten die Verschmelzung von Nanopartikeln (Einschub von Fig. 1c). Die Eliminierung der PEO-Komponente aus den Nanofasern wurde durch eine FTIR-Studie nachgewiesen. Wie in Abb. 1d gezeigt, weist das unberührte PEO mehrere markante Peaks bei 841, 947, 1059, 1092 und 1342 cm ⁻¹ . auf , entsprechend den Schwingungen des CH₂ und CO-Gruppen [22, 25]. Andererseits zeigten sich im FTIR-Spektrum des reinen PTFE fünf starke Peaks, darunter die prominentesten bei 1146 und 1201 cm ⁻¹ sind charakteristisch für CF₂ symmetrische bzw. asymmetrische Dehnungsmodi [26] und die Peaks bei 512, 554 und 639 cm ⁻¹ könnte den Schaukel-, Deformations- und Wagging-Modi von CF₂ . zugeordnet werden , bzw. [27]. Die PEO zugeordneten Peaks sind im Spektrum der elektrogesponnenen PTFE-PEO-Nanofasermembran trotz des geringen Gehalts der PEO-Komponente (wie durch die gestrichelten orangefarbenen Linien in Abb. 1d angedeutet) noch zu beobachten. Nach dem Sintern bei 350 °C sind diese Peaks vollständig verschwunden, was zur bloßen PTFE-Zusammensetzung der Nanofasermembran führt.

a Schematische Darstellung, die die zweistufige Herstellung einer PTFE-Nanofasermembran zeigt:(1) Elektrospinnen, um eine PTFE-PEO-Nanofasermembran zu erhalten, und (2) thermische Behandlung, um PEO von der elektrogesponnenen PTFE-PEO-Nanofasermembran zu entfernen. b Digitalfoto und c REM-Aufnahme der PTFE-Nanofasermembran mit dem Einsatz, der eine vergrößerte Ansicht zeigt. d FTIR-Spektren von (1) reinem PEO, (2) reinem PTFE, (3) elektrogesponnener PTFE-PEO-Nanofasermembran und (4) PTFE-Nanofasermembran, wobei die gestrichelten orangefarbenen Linien die Hauptpeaks von PEO anzeigen

Abbildung 2 zeigt eine Reihe von Charakterisierungsergebnissen auf der PTFE-Nanofasermembran. Ähnlich wie die Vorläufer-PTFE-PEO-Probe besteht die PTFE-Nanofasermembran nur aus der PTFE-Phase. Wie in 2a gezeigt, gibt es zwei Beugungspeaks, die bei 18,2 ° und 31,7 ° auf dem XRD-Muster angeordnet sind, entsprechend den (100)- bzw. (110)-Ebenen von PTFE. XPS-Studie beleuchtet weiter seine Zusammensetzung von bloßem PTFE. Das XPS-Muster weist charakteristische Peaks von C 1°s und F 1°s auf, die bei ~ 286 bzw. ~685 eV zentriert sind (Abb. 2b). Während der charakteristische Peak von O 1 s, der im Allgemeinen bei ~ 532 eV auftritt, nicht beobachtet werden konnte [28], was darauf hindeutet, dass die PEO-Komponente während der thermischen Behandlung vollständig eliminiert wurde. Um die Eignung der PTFE-Nanofasermembran als tragbarer Elektretsensor zu bewerten, wurden auch ihre Eigenschaften in Bezug auf die Anforderungen dieser speziellen Anwendung charakterisiert. Abbildung 2c zeigt die Druckabfälle, wenn die Luft mit verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten durch die Membran strömt. Der Druckabfall steht im getesteten Umfang nahezu linear mit dem Gasdurchsatz und seine Werte sind recht klein, sogar vergleichbar mit denen von Filtermasken [29], was die gute Luftdurchlässigkeit der Membran belegt. Plausibel auf die Verbindung des Fasernetzwerks zurückzuführen, weist die Membran auch hervorragende mechanische Eigenschaften mit einer Zugfestigkeit von ~ 3.8 MPa und einer Bruchdehnung von 220% auf (Abb. 2d), was die Anforderungen an tragbare Elektronik erfüllt. Abbildung 2e zeigt die Variation des Oberflächenpotentials der Membran innerhalb von 30 Tagen. Der Wert fällt nach 1-tägiger Lagerung der Membran bei Umgebungsbedingungen von etwa –480 auf –300 V stark ab und nimmt dann in den folgenden 11 Tagen langsam ab und bleibt schließlich stabil bei – 270 V Die gute Luftdurchlässigkeit, die hervorragenden mechanischen Eigenschaften und Das stabile Oberflächenpotential der PTFE-Nanofasermembran zeigt ihre potenzielle Anwendung für tragbare batterielose Sensoren.

Charakterisierung auf der PTFE-Nanofasermembran:a XRD-Muster, b XPS-Spektrum, c Druckabfall als Funktion des Gasdurchflusses, d Spannungs-Dehnungs-Kurve und e Variation des Oberflächenpotentials in 30 Tagen.

Aufgrund ihrer Ladungsspeicherfähigkeit könnte die PTFE-Nanofasermembran zur Herstellung von Elektret-NG verwendet werden. Um die Luftdurchlässigkeit bei der Integration in ein Gerät zu erhalten, wurde handelsübliches leitfähiges Gewebe mit ausgezeichneter Luftdurchlässigkeit als Elektrode zum Aufbau des Elektret NG verwendet (Zusatzdatei 1:Abbildung S2). Zuerst wurden zwei Enden der PTFE-Nanofasermembran zwischen zwei Abstandshaltern fixiert; dann wurde die Membran in zwei Stücke leitender Kohlenstoffkleidung eingebettet, die die NG-Vorrichtung mit einer effektiven Größe von 4 cm × 4 cm bildete (Fig. 3a). Die negative Überschussladung in den PTFE-Nanofasern würde eine positive Ladung in der oberen und unteren Elektrode mit einer Gesamtmenge gleich der negativen Ladung induzieren (Abb. 3b). Im statischen Zustand konnte aufgrund des Gleichgewichtszustands der elektrischen Potentialverteilung keine Ladung übertragen werden. Wird der Gleichgewichtszustand durch Drücken und Loslassen der Vorrichtung aufgehoben, führt die Spaltänderung zwischen der PTFE-Membran und den Kohlegewebeelektroden zu einer Kapazitätsänderung und damit zu einer Umverteilung der Ladungen zwischen den beiden Elektroden, wodurch ein Wechselstrom entsteht transienter Strom, der durch den externen Stromkreis fließt. Der Wirkmechanismus dieser Sandwichstruktur-NG ist ähnlich wie bei den beschriebenen Bogenstruktur-NGs [17, 30]. Nichtsdestotrotz ist das in der vorliegenden Arbeit gezeigte NG viel einfacher zu konstruieren und atmungsaktiver als diese NGs mit dünnfilmbasierter Bogenstruktur und einigen anderen faserbasierten NGs [17, 30, 31, 32, 33, 34].

a Digitalfoto des NG-Geräts und b eine schematische Darstellung seines Aufbaus. c Ausgangsstrom von zwei einzelnen NG-Geräten (G1 und G2) und einer Parallelschaltung von ihnen (G1 + G2). d Ausgabe des NG mit unterschiedlichen Stimulationskräften bei 5 Hz. e Ausgabe des NG bei verschiedenen Frequenzen mit einer Stimulationskraft von 5 N. f Ausgang des NG mit unterschiedlichem Belastungswiderstand. g Zyklenfestigkeit des NG

Wie in Fig. 3c gezeigt, zeigte der NG einen Spitzenstrom von ~~1,5 µA bei einer Stimulationskraft von 5 N und einer Frequenz von 5 Hz. Wenn zwei NGs mit gleicher Polarität parallel geschaltet wurden, war der Gesamtausgangsstrom fast der Mehrwert jedes einzelnen, was darauf hindeutet, dass die elektrische Leistung der NGs das lineare Überlagerungskriterium in den Grundschaltungen erfüllt [35]. Die Leistung des NG wurde unter verschiedenen Kräften und Frequenzen weiter systematisch untersucht. Bei einer gegebenen Frequenz werden sowohl der Spitzenstrom als auch die Integralmenge der übertragenen Ladung (ΔQ ) als Erhöhung der Stimulationskraft von 1 auf 5 N erhöht (Abb. 3d und Zusatzdatei 1:Abbildung S3a). Eine weitere Erhöhung der Stimulationskraft könnte die Leistung nicht weiter fördern, da ΔQ wurde nur durch die Amplitude der Spaltänderung zwischen der PTFE-Membran und den Elektroden bestimmt [17], die bereits bei einer ausreichenden Kraft von 5 N den maximalen Wert erreicht hatte. ich> behielt einen nahezu konstanten Wert von ~ 26.9 nC bei einer Variation der Frequenz bei, da die Amplitude der Spaltänderung frequenzunabhängig war (Abb. 3e). Trotzdem stieg der Ausgangsstrom mit steigender Frequenz bei gegebener Stimulationskraft (Zusatzdatei 1:Abbildung S3b), da die gleiche Ladungsmenge in kürzerer Zeit übertragen wurde. Um die maximale Spitzenleistung zu erhalten, wurde die Ausgangsleistung bei unterschiedlichen externen Lastwiderständen bei einer Frequenz von 5 Hz und einer Stimulationskraft von 5 N untersucht.Wie in Abb. 3f gezeigt, blieb der Ausgangsstrom bei einem Lastwiderstand von . nahezu unverändert 0,1~10 MΩ und dann von ~ 1,5 auf 0,081 μA mit einer weiteren Erhöhung des Belastungswiderstandes auf 1000 MΩ, was einen Innenwiderstand des NG-Geräts zwischen 10 und 1000 MΩ impliziert. Basierend auf der Definition von Macht, P =Ich ² R , konnte eine maximale Spitzenleistung von bis zu 56,25  μW mit einem Lastwiderstand von 100  MΩ erreicht werden. Dementsprechend wurde der Innenwiderstand des NG-Geräts zu ~ 100 MΩ abgeleitet, da die maximale Leistung eines NG unter der Bedingung auftritt, dass sein Innenwiderstand dem Belastungswiderstand entspricht [21]. Zuletzt wurde die Zyklenstabilität des NG bei einer Kraft von 5 N und einer Frequenz von 5 Hz bewertet. Wie in Fig. 3g dargestellt, wurde während der 50 k -Zyklen keine offensichtliche Verschlechterung des Ausgangsstroms sowie der integralen Menge der übertragenen Ladung festgestellt, was eine ausgezeichnete Zyklenstabilität des NG offenbart.

Um das Potenzial der Verwendung des NG als energieautarken Sensor zur Überwachung der Körperbewegung zu demonstrieren, wurde das Gerät über dem gestreckten Ellenbogengelenk befestigt, um die Bewegung des Ellenbogengelenks zu überwachen. Abbildung 4a zeigt die elektrischen Ausgangssignale beim Beugen des Ellbogengelenks in eine Reihe von Winkeln. Die Stromimpulse sind bereits bei einer kleinen Bewegung von 30° Krümmung deutlich erkennbar und werden bei erhöhten Krümmungswinkeln immer deutlicher. Abbildung 4b zeigt die Beziehung zwischen der Ausgabe des NG und dem Verschneidungswinkel des Ellenbogengelenks. Aufgrund der komplizierten Verformung des Gerätes konnte die Spaltänderung zwischen PTFE-Membran und Kohlegewebeelektroden nicht quantitativ mit dem Beugewinkel des Ellenbogengelenks korreliert werden. Somit kann der Zusammenhang zwischen der Leistung des NG-Geräts und dem Beugewinkel des Ellenbogengelenks nur mathematisch, nicht aber physikalisch festgestellt werden. Dennoch kann die Abhängigkeit des Stroms und der übertragenen Ladung vom Mischwinkel den Bewegungszustand des Ellbogengelenks effektiv anzeigen, was die potenzielle Anwendung des NG als energieautarker Sensor zur Echtzeitüberwachung der Körperbewegung demonstriert.

a Ausgangssignale des NG bei verschiedenen Beugewinkeln des Ellenbogengelenks und b die entsprechenden Diagramme des Spitzenstroms und der integralen übertragenen Ladung

Neben der Anwendung zur Körperbewegungsüberwachung kann der NG auch als energieautarker Sensor zur Überwachung physiologischer Signale dienen, indem das Gerät an bestimmten Positionen des menschlichen Körpers angebracht wird. Wenn beispielsweise das NG-Gerät am Bauch befestigt wird, stimuliert das Schrumpfen und Ausdehnen des Bauches während der Atmung das Gerät und erzeugt elektrische Signale, die Informationen über die Atmung liefern. Wie in Abb. 5a gezeigt, wurden deutliche Wechselstromwellen mit einem Spitzenwert von 6~10 nA aufgezeichnet, die mit einer Frequenz von ~ 20 mal pro Minute gut dem Atemrhythmus eines männlichen Erwachsenen entsprechen. Das NG-Gerät kann auch zur Herzschlagüberwachung verwendet werden, wenn es an der Brust oder am Handgelenk befestigt wird. Das regelmäßige Pulsieren des Herzens oder der Arterie stimuliert das NG-Gerät, entsprechende periodische Stromsignale als Spuren des Herzschlags zu erzeugen. Dies ist die sogenannte Ballistokardiographie-Methode, deren Mechanismus auf der Verfolgung feiner mechanischer Bewegungen basiert, die durch den Blutauswurf während des Herzzyklus erzeugt werden [36]. Abbildung 5b zeigt die Ausgabe des an der Brust eines Mannes angebrachten NG-Geräts, aus dem 23 markante Stromspitzen in 20 Sekunden eindeutig identifiziert werden können, was auf eine Herzfrequenz von ~ ~ 69 Schlägen pro Minute hinweist. Dieser Wert liegt im normalen Bereich für einen gesunden jungen Mann (60~100 Schläge pro Minute [37]). Darüber hinaus kann das Signal umfassend interpretiert werden, um Informationen über die Details jedes Herzzyklus zu extrahieren, was für die zusätzliche kardiovaskuläre Diagnose nützlich ist [36, 38]. Wie in Abb. 5c gezeigt, verfolgt die elektrische Wellenform explizit die drei Prozesse eines typischen Herzzyklus, indem sie Präsystole (F–G–H), Systole (I–J–K) und diastolische (L–M–N) Stadien benennt [37]. Im Vergleich zur herznahen Messung der Aortenpulswelle ist die Überwachung des peripheren arteriellen Pulses durch Fixieren des NG-Geräts am Rumpf bequemer. Abbildung 5d zeigt das aufgezeichnete Stromsignal des am Handgelenk befestigten NG. Die scharfen Stromimpulse auf dem Muster zeichnen den Rhythmus des Radialarterienschlags mit einer Frequenz von ~ 72 Mal pro Minute deutlich auf. Abbildung 5e ist eine vergrößerte Ansicht der Wellenform, aus der zwei Hauptpeaks unterschieden werden können:der einfallende Blutflusspeak P ₁ und der reflektierte Peak P ₂ aus der Handregion [37]. Basierend auf der Amplitude dieser Spitzen wird der Augmentationsindex der Radialarterie (AI_x =P ₂ /P ₁ ) als wichtiger Indikator für Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Zielorganschäden berechnet werden [39]. Nach den erhobenen Daten wurde ein statistischer Wert von ~ 54 % erhalten, was auf einen normalen kardiovaskulären Zustand für einen 33 jährigen Mann hindeutet.

Ausgangssignal des NG an verschiedenen Körperpositionen eines Mannes:a am Bauch, b auf der Brust und d am Handgelenk; c und e sind vergrößerte Ansichten des Signals in b und d bzw.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend rechtfertigt die vorliegende Arbeit die Eignung der Verwendung von elektrogesponnenen PTFE-Nanofasermembranen für den Bau von tragbaren Hochleistungssensoren mit eigener Stromversorgung. Eine PTFE-Nanofasermembran wurde erfolgreich durch Elektrospinnen mit einer wässrigen PTFE-PEO-Suspension und einer postthermischen Behandlung hergestellt, um die PEO-Komponente zu entfernen. Aufgrund seiner guten Luftdurchlässigkeit und hervorragenden mechanischen und Elektret-Eigenschaften konnte das hergestellte NG-Gerät auf Basis der elektrogesponnenen PFTE-Nanofasermembran mechanische Energie mit einer hohen Spitzenleistung von 56,25 µW und einer langfristigen Zyklenstabilität effektiv in Elektrizität umwandeln, was das Potenzial zu als empfindlicher tragbarer Sensor mit eigener Stromversorgung verwendet werden. Tatsächlich hat sich der NG als ausgezeichneter tragbarer Sensor erwiesen, der Körperbewegungen und biologische Signale wie Atmung und Herzschlag quantitativ überwachen kann, was seine potenzielle Anwendung in tragbarer Elektronik zur Körperbewegung und Gesundheitsüberwachung impliziert.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle in dieser Studie generierten Daten sind in dem Artikel und seiner zusätzlichen Datei enthalten.

Abkürzungen

FE-REM:

Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie

FTIR:

Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie

NG:

Nanogenerator

PEO:

Polyethylenoxid

PTFE:

Polytetrafluorethylen

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

XRD:

Röntgenbeugung