(Nanowerk 专题报道) 当声波撞击两种材料之间的边界时，部分能量会穿透，部分能量会反射回来。这种现象的比例取决于一种称为声阻抗的特性，它反映了材料传递声音的难易程度。这一原理是医学超声成像的基础，在医学超声成像中，组织密度的差异产生了形成图像的反射。它也决定了超声波指纹传感器如何区分指尖的脊线和谷线。
同样的反射物理原理现在为一个持久的工程问题提供了解决方案：如何在不更换电池的情况下为植入式医疗设备供电。起搏器、神经刺激器和植入式传感器等设备在人体内部执行关键功能，但其能源仍然是一个瓶颈。电池最终会耗尽，更换电池需要额外的手术。
一种替代方案是通过皮肤发射超声波，并使用摩擦纳米发电机在体内将其转换为电能。摩擦纳米发电机是一种通过两种不同材料的反复接触和分离来产生电流的设备。研究人员在2019年首次展示了这一概念，但实际应用一直停滞不前。在高频超声波下，薄聚合物膜会不规则振动，与下方电极的接触不均匀。经过数百万次循环，这种不规则运动会导致膜表面磨损并降低输出。
发表在《先进能源材料》杂志上的一项研究（"声阻抗定制高性能超声驱动摩擦纳米发电机"）通过设计膜的几何形状来解决这一耐久性差距，以控制振动发生的位置和不发生的位置。研究团队创建了一个具有凹凸区域波浪图案的单一聚合物薄膜。每个区域在其界面处与不同材料相遇，产生有意的声阻抗不匹配，从而放大或抑制膜的振荡。
凹面部分位于金属电极上方。当超声波到达这种聚合物-金属边界时，反射波与入射波同相，使局部声压加倍，驱动膜产生强烈、可重复的变形。凸面部分则远离电极拱起，并在下方困住一层薄薄的空气。
在这种聚合物-空气边界处，反射波与入射波几乎相差180度，抵消了大部分声压并抑制了振动。凸面区域充当内置的微间隔器，稳定膜并在接触事件之间支持其弹性恢复。
设计原理的声阻抗不匹配摩擦纳米发电机(AIM-TENG)。(A) AIM-TENG波浪结构的示意图。(B) AIM-TENG的实际照片。(C) 通过形成凹凸区域实现受控振动的声阻抗不匹配策略。(D) 基于平面薄膜的TENGs与AIM-TENG的超声操作模式比较。(E) 两种结构在1亿次振动测试前后的电流输出比较。
研究人员使用聚氟烷氧基烷烃（一种热塑性氟聚合物）作为膜材料。他们通过在加热下将薄膜压在金属网之间形成波浪图案，诱导永久性塑性变形。该工艺创建了基本振动模式接近20 kHz驱动频率的凹面段。由于每个段在几何上受到限制，高阶振动模式无法发展，膜主要在单一频率上振荡。
研究团队测试了波浪几何形状是否确实将振动集中在预期区域。模拟显示声压和法向应力集中在凹面区域，而在凸面区域保持较低。
为了通过实验验证这一点，研究人员在每个区域下方放置了电隔离的电极并测量了输出：凹面区域产生的电压约为凸面区域的六倍。他们通过激光测振仪证实了这些发现，该仪器显示凹面段的面外位移更大。
进一步计算揭示了优化凹面区域的关键设计变量。基板的杨氏模量在确定膜-金属界面处反射多少声能方面比其厚度更重要。具有更高声阻抗的基板会产生更强的反射、更大的膜位移和成比例更高的电输出。这为设计者提供了调整设备性能的明确杠杆。
耐久性结果强化了波浪设计的价值。研究团队对传统的平面膜设备和波浪设备进行了1亿次振动循环测试。平面设备随着表面缺陷的积累而逐渐失去输出。平面膜的X射线衍射显示聚合物链单体之间的间距增大，这表明疲劳引起的悬空键削弱了材料的机械完整性。
波浪设备没有显示这种漂移。在整个测试过程中，其晶格间距和表面特性保持稳定，其输出电流保持在平面设计的约三倍。拉伸测试证实，波浪膜保留了其原始机械特性，而平面膜则变得不那么坚固。
研究团队将波浪设备植入大鼠背部的皮肤下，并以0.5 W/cm²的强度应用20 kHz超声能量为植入物供电，持续六周。该设备持续产生约600 µA的峰值电流，并提供1.20 mW的最大输出功率。手术部位的组织样本显示无坏死或异常纤维化。
由于该设备在数周的操作中保持稳定的输出，它为电池充电的速度比以前的设计更快。使用商用电源管理电路进行整流和电压转换，研究人员在不到八小时内将锂离子电池充电至2.7 V。尽管超声强度低三倍且活性区域更小，但这种充电速度比2019年的基准高出两倍以上。
该研究重新定义了超声驱动能量收集器的设计逻辑。该方法不是将膜视为在声学激励下简单振动的被动元素，而是使用声阻抗变化作为结构工具，将单一薄膜划分为主动区域和被动区域。结果是一种将超声能量引导至有效、可重复接触的设备，同时保护自身免受限制传统平面设计的疲劳影响。对于无线为植入式医疗设备供电的更广泛目标，这项工作既提供了性能提升，又提供了在材料层面设计耐久性的框架。
【全文结束】
