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机械系程嘉合作发文报道摩擦纳米发电机用于电
栏目:案例展示 发布时间:2019-03-09 03:36

  摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator, TENG)是一种基于摩擦起电和静电感应原理,可将机械能转换为电能的设备,具有结构简单、价格☆△◆▲■低廉、柔性的优点。其高电压、低电流的特性,在高电压条件下为容性负载供能时具有独特优势。模块化组织工程是一种构建并利用模块化单元自下而上设计生物组织□◁的技术,可用于细胞移植、人造器官等。载细胞水凝胶微球具有良好的互联性、机械性能和三维微环境,是最常用的研究对象。电辅助分离技术能够生产单分散、生物活性高、尺寸和形态可控的微球,以往的研究一般依靠商业●电源产生直流或脉冲高压输出,系统相对复杂昂贵,而TENG作为一种新型的高压电源可以使细胞打印技术更为简单、高效。

  摩擦电辅助细胞打印:(▲=○▼a)装置效果图(b)HepaRG、Hela细胞存活性荧光染色(c)细胞存活率对比

  本论文提出了一种利用摩擦纳米发电机供能的电辅助细胞打印系统,由独立摩擦层碟式摩擦纳米发电机,倍压整流电路和基本的细胞打印装置构成。摩擦纳米发电机和倍压整流电路产生高压静电场★◇▽▼•(5-8 kV),细胞打印装置产生直径(~300 μm)可控、形状规则、适合三维细胞培养的微球。在HepaRG和Hela细胞的载细胞微球打印实验中,均具有高于92%的细胞存活率,同时,利用TENG打印的微球所带电量(34.40±4.48 pC)相对于商业电源(42.40±19.66 pC▼▲)更低更稳定,更适用于电敏感性细胞打印。此外,本文进行了电学分析和多物理场耦合仿真,以揭示摩擦电驱动下的细胞打印机理;通过参数实验确定了合适的细胞打印参数。实验结果证明摩擦纳米发电机可以安全有效地用于电辅助细胞打印及后续生物应用,是现有技术的有益补充,在无法使用传统电源的场景下具有技术竞争★-●=•▽优势。

  摩擦电辅助细胞打印系统特性参数:(a)电路原理(b)摩擦纳米发电机工作原理(c)升压电路(d)微液滴电荷测量示意图(e,f)打印过程电流与电量波形(g,h)电势分布仿真结果(i)高速摄像机拍摄液滴下落过程(j)液滴下落位移与速度

  清华大学机械系程嘉、姚睿、路益嘉为本▽•●◆文共同通讯作者。清华大学机械系○▲-•■□研究生霍恒宁、刘帆为本文共同第一作者(已毕业)。其他作者包括罗依雪、顾谦、刘源、王昭政、陈若瑜、季林红教授。本工作得到国家科技重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金和清华自主研究项目的支持。

  6月1日至2日,由清华大学研究生院主办、清华大学研究生会协办、清华大学机械工程系承办的清华大学第568期博士生学术论坛在京举办。本次论坛邀请到了机械系各研究所评★▽…◇委教师30余名,还特别邀请了摩擦学国家重点实验室李津津教授以及新型钎焊材料与技术国家重点实验室主任龙伟民教授作论坛特邀报告。

  清华大学机械系摩擦学国家重点实验室田煜教授课题组与李勇教授课题组合作提出基于超精密金刚石切削来加工仿壁虎表面模具,通过简单脱模制备了性能优良的楔形◇=△▲阵列仿壁虎表面。基于该楔形仿壁虎表面制作的夹持机构成功地实现了对大气/真空中晶元的拾取、转移和◇…=▲释放。研究提出了一种绿色、可靠、高性价比的制备仿壁虎干黏附功能表面的方法,有望促进仿壁虎表面在爬壁机器▪▲□◁人黏附足、真空夹持器以及空间黏附器件等方面的应用。

  该研究中,研究人员设计并▪…□▷▷•制备出一款用于原子力显微镜的镀有石墨烯的微球探针,实现了石墨烯与石墨烯之间微观摩擦力的测量,并且获得了拥•☆■▲有“鲁棒”特性的超低摩擦:适用于较宽范围的载荷、环境气氛、湿度、扫描范围以及速度等实验条件,同时超滑状•□▼◁▼态也可以维持较长时间。

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