超声波是一种很少被利用的环境能源。目前得到超声能量的方法紧张是基于压电效应和摩擦起电效应的机理，利用这两种方法获取能量须要分外的材料，并且须要对器件几何构造进行精心设计，从而让材料产生足够的机器位移，将声能转化为电能。与目前植入式超声波能量采集器的采集方法不同，该团队的超声发电水凝胶进行声能转换是基于一种电声征象：流激振动势，同时还首创性的与摩擦生电这一大略物理效应进行耦合，进一步提高了该水凝胶的发电输出功率。
机理：
MXenes是一种二维陶瓷材料，通式为Mn+1XnTx（M，X，Tx代表过渡金属元素、碳和氮）与大多数二维陶瓷材料不同，由过渡金属（如钛）的碳化物和氮化物制成的分子片使得MXenes具有良好导电性和优秀的体积电容，目前MXenes材料已经在储能、医学器件，光电子等领域有所运用。
该研究团队创造MXenes和聚乙烯醇（PVA）稠浊可以形成三维网络构造的水凝胶（M-凝胶），即M-凝胶可以被认为是一种充满水的多孔体，如图2a所示。所制备的MXene基水凝胶（M-凝胶）不仅力学性能有大幅度提高，还具有非对称应变敏感性。压力驱动流可以将双电层（EDL）中多余的反离子拖到带电表面附近，产生流动电流，在没有外部平衡负载的情形下，会产生一个流动电位来平衡流动电流。这种由超声波产生的电势的便是流激振动势。流激振动势常日在在微通道、纤维和多孔膜中产生。
图2：M-凝胶产生电压征象的机理。（a）示意图显示了在Ti3C2Tx-MXene-PVA水凝胶中双电层（EDL）的形成。（b）利用不同厚度的介质(eco-flex)，M-凝胶输出电压随H2SO4 质量分数的变革。（c）超声波驱动的M-凝胶电旗子暗记产生机制示意图。
研究团队还设计了两个比拟模型，来研究机器摩擦是否有助于提升该凝胶装置的发电功率。如图3所示。
图3，比拟模型实验研究摩擦带电的影响：（a）实验装置示意图，个中超声波运用于尼龙（Nylon）和共聚酯(Eco-flex)堆叠层，以10Hz的频率振动。（b）实验的输出电压如（a）和（c）所示。（d）实验装置示意图，个中超声波运用于M-凝胶层，振动器在尼龙（Nylon）和共聚酯(Eco-flex)层上振动。（e）实验的输出电压如（e）和（f）所示。
该比拟模型实验的结果表明在M-凝胶发电材料中，超声波可以引起摩擦带电并产生静电场，在静电场浸染下，M-凝胶发电材料产生的电压可以得到明显提高。
事情性能：
在实际运用的实验结果中，可看出M-凝胶发电材料具有高输出功率和高转换效率，具有运用于可持续清洁电源的潜力，实验演示如图4所示。发电产生的整流电压高于6V（图4b）。当一个电容器（100uF）连接到电路上时，电容器的电压在60s内增加到1.68 V（图4c），均匀充电速率为2.8μC/s。M-凝胶发电材料产生的电力足以连续驱动普通电器，如湿度计（图4d）。为了测试发生器在体内运用的可行性，我们将增强型M-凝胶发电材料插入一块厚度与植入装置干系的新鲜牛肉中（图4e、f）。在负载电阻为10MΩ和100KΩ时，M-凝胶发电材料的输出旗子暗记分别为∼4.5V和14.4μA（图4g，h）。除了实验室利用的超声波探头，该发生器还可以从普通医用超声探头中获取超声能量，用于成像和物理治疗（图4i）。在利用成像探头的情形下，可以不雅观察到∼5 V电压输出（图4J）。
图4凝胶发电器的运用：（a）用于实际运用的M-凝胶发电器电路图。（b）凝胶发电器的整流电压输出。（c）与电路相连的电容器（100μF）的充电曲线。（d）由凝胶发电器供电的电湿度计照片。（e）将凝胶发电器封装在一块牛肉内和（f）丈量装置。（g）牛肉片内的凝胶发电器产生的电压和（h）电流。电压和电流丈量分别利用10 MΩ和100 kΩ的负载电阻。（i）照片显示了凝胶发电器的超声波能量网络行为，利用医学超声探头进行。（j）利用医用超声探头，凝胶发电器输出相应的电压。（k）超声感应电压输出丈量为超声波尖端和发生器之间介质厚度的函数。
亮点小结：
这是首次证明水凝胶可以从普通超声探头中获取超声能量。这种材料制造本钱低廉，制造过程大略明了，新的材料和设备可以基于这些充电机制，从而产生更高效的超声波采集设备。紧张运用于植入式设备的远程充电，这项技能的有效性和低本钱，意味着有起搏器或神经刺激器的患者可以避免进行侵入性手术来改换电池，而只需一个超声波探头就可以远程充电。
来源：高分子科学前沿
投稿模板：
单篇宣布：上海交通大学周涵、范同祥《PNAS》：薄膜一贴，从此降温不用电！
系统宣布：加拿大最年轻的两院院士陈忠伟团队能源领域成果集锦
