具有高功率密度及优异铁电和忆阻器特性的柔性有机压电纳米发电机

来自轻柔动作的能量

设想衣物、绷带或小型装置仅凭日常动作就能自供电——无需电池、无需充电线。这项研究探索了一种新型轻质有机材料，可实现这种功能。它能将微小的撞击和弯曲转化为电能，同时还能充当超低功耗的电子记忆单元。这种组合有望让未来的可穿戴设备和智能传感器更小、更软、结构更简单。

多才多艺的小晶体

研究的核心是一种小有机分子——一种偶氮苯衍生物，一端“推”电子，另一端“拉”电子。当这些分子结晶时，它们自然排列，许多微小的电偶极叠加，使晶体具有内建电极化。由于这种极化可以被外加电压切换，并对压挤和弯曲有强烈响应，该材料同时表现出铁电性（内部电荷排列可切换）和压电性（将机械运动转为电能）。不同寻常的是，同一晶体也展示了“忆阻器”行为，意味着其电阻可在高阻和低阻状态之间可逆切换并被记忆——即使断电状态下也能保持。

晶体结构如何发挥作用

研究人员发现这种分子可以形成两种不同的晶型，但只有一种排列对能量和记忆器件有用。在活性形式中，强氢键链穿过晶体，将分子排列为其微小偶极大致指向相同方向。这种有序结构在较低的工作场下产生相对较大的内建极化，强度类似于某些更刚性的无机材料，却是在完全有机、可柔性的晶体中实现。详细计算表明，这些由氢键连接的链条是产生强极化的主要原因，而平面分子的紧密堆积则有助于稳定结构，但抑制了某些其他偶氮苯材料中看到的光驱动形变。

断电也能记住的记忆

为测试晶体作为记忆元件，团队将一层薄膜夹在透明导电玻璃底层和银顶部电极之间。当他们在该堆栈上扫掠小电压时，电流可重复地在低导电态与高导电态之间跳变。这两种状态（通常称为OFF和ON）可循环数千次并在超过一小时内保持不衰减，尽管切换电压低于2伏。研究者将这种行为归因于两种效应的混合：涉及银电极的微小导电通路的形成与破坏，以及有机层内部极化的变化，这些变化改变了电荷跨界面的难易程度。材料相对较低的能隙使电荷更容易移动，从而支持了这种低电压工作的实现。

收集运动能量的柔性薄膜

除了记忆功能外，团队还将该材料制成一种称为压电纳米发电机的电源。他们把微米级晶体混入柔软的硅橡胶（PDMS）中，并铸造成薄的柔性薄膜。这些橙色薄膜可以弯曲、卷起和折叠，同时保持结构完整。在以适度力进行节律性压迫时，最佳配方（约10%质量分数的晶体）产生的电压脉冲最高约为5.7伏，峰值功率密度为2.48微瓦每平方厘米——与许多其他有机能量收集器相比具有竞争力或更好。在更高晶体负载下，颗粒开始聚集，其偶极会部分抵消，性能下降，表明均匀混合至关重要。

从日常运动中储存可用能量

为演示实际用途，研究人员将柔性发电机连接到一个简单电路，该电路将交变输出整流为稳定的直流并输入一个小电容。在大约半分钟的机械敲击后，电容充电至约1.8伏，存储了可测量的电荷和能量，足以短暂驱动小型电子设备。该器件在数千次按压释放循环中也能可靠工作，表明其对行走或呼吸等重复运动具有良好的耐久性。

迈向更柔软、更智能的电子设备

简而言之，这项工作表明一种轻质有机晶体既能存储数字信息，又能从运动中收集能量，且在低电压下具有高柔性。设计者未来或可不再依赖坚硬且有时含毒的无机陶瓷，而是构建可感知机械信号、记忆过去事件并能从最细微运动中自供电的软贴片或薄膜。尽管仍需进一步优化与放大生产，这种基于偶氮苯的材料为未来自供电、低功耗且融入日常生活的智能设备提供了有前景的构件。

引用: Ambastha, P., Kushwaha, V., Magar, A. et al. Flexible organic piezoelectric nanogenerator with high power density and excellent ferroelectric and memristor characteristics. NPG Asia Mater 18, 4 (2026). https://doi.org/10.1038/s41427-026-00632-z

关键词: 柔性电子, 压电纳米发电机, 有机铁电体, 忆阻器, 能量收集