“Self‐Matched” Tribo/Piezoelectric Nanogenerators Using Vapor‐Induced Phase‐Separated Poly(vinylidene fluoride) and Recombinant Spider Silk

Abstract

Flexible biocompatible mechanical energy harvesters are drawing increasing interest because of their high energy‐harvesting efficiency for powering wearable/implantable devices. Here, a type of “self‐matched” tribo‐piezoelectric nanogenerators composed of genetically engineered recombinant spider silk protein and piezoelectric poly(vinylidene fluoride) (PVDF)‐decorated poly(ethylene terephthalate) (PET) layers is reported. The PET layer serves as a shared structure and electrification layer for both piezoelectric and triboelectric nanogenerators. Importantly, the PVDF generates a strong piezo‐potential that modifies the surface potential of the PET layer to match the electron‐transfer direction of the spider silk during triboelectrification. A “vapor‐induced phase‐separation” process is developed to enhance the piezoelectric performance in a facile and “green” roll‐to‐roll manufacturing fashion. The devices show exceptional output performance and energy transformation efficiency among currently existing energy harvesters of similar sizes and exhibit the potential for large‐scale fabrication and various implantable/wearable applications.

Bio‐Derived Natural Materials Based Triboelectric Devices for Self‐Powered Ubiquitous Wearable and Implantable Intelligent Devices

“…are expected to excite a confluence of collective efforts from the research community and lead to more fruitful progress www.advsustainsys.com that would ultimately enable the self-powered wearable and implantable intelligence based on triboelectric devices built with bio-derived natural materials. [12,38,80,[325][326][327] The advances in bio-derived natural materials based self-powered wearable and implantable human-integrated technologies will further research and production towards achieving the United Nation's Sustainable Development Goals through improving health and education, reducing inequality, and spurring economic growth. Figure 8.…”

“…[32,57,317,318] Biodegradable power sources relying on the bio-TENGs exhibit advantages compared with battery, in terms of avoiding issues such as the secondary medical surgery. [12,38,80,[325][326][327] Wang et al [325] reported a TENG device consisting of ethyl cellulose (EC) film and biocompatible medical 317L stainless steel (317L SS) plate (Figure 6a). The device maintains stable output performance after being immersed in a simulated body fluid after 30 days without protecting layer, which shows great potential for applications as a biomedical power source.…”

“…The implantable TENG device could collect breath energy from a living rat, and store it in a capacitor through a rectification circuit. Huang et al [326] reported a tribo/piezoelectric hybrid nanogenerators which consist of genetically-engineered recombinant spider silk, PET and piezoelectric poly(vinylidene fluoride) (PVDF) layers (Figure 6b). The fabricated hybrid device can be implanted in the subdermal chest region of a mouse for harvesting the heartbeat energy and monitoring the related signals.…”

“…Reproduced with permission. [326] Copyright 2020, John Wiley and Sons. c) A fully bioabsorbable natural-materials-based tunable TENG power source.…”

Chinese Symbols on the Covers of the Well-Known Chemical Journals

“…1 中国元素在化学类期刊封面中的体现 化学，是在原子层次上研究物质的组成、构成、性质及变化规律的自然科学 [1] 。中国元素，在幽 深久远的历史里积淀而成，是华夏民族传统文化精神的结晶。根植于化学学科特性与中国文化特质 的封面设计，可能成为受众接触刊物的首要切入点，深刻影响受众的直觉印象。化学类期刊的封面 设计承袭视觉传达的主渠道，依托文字、图形与色彩三个核心媒介的巧妙融合，把设计者融文化于 化学变化的意图水过无痕地传递给受众。 中国元素在国际知名化学专业刊物封面设计中逐渐凸显， 暗示了中国自然科学研究实力的提升。 对封面中国元素的分析不仅包括了具象化的龙、红灯笼、祥云、院落等元素，也可通过剖析这些具 体元素在设计中的变化、活用与融合规律，探索这些意象背后潜藏的中国文化底色与审美意识。何 谓"中国元素"，学术界暂无定论，但基本应该包含这样几方面：(1) 中华民族五千年历史发展中凝 聚而成的传统文化；(2) 含括物质文化与精神文化两种表现形式；(3) 生命力持久，从古至今，生生 不息。通过分类梳理世界知名化学类期刊封面中的中国元素，可以看出，物质文化方面如彰显地域 风光的黄山、鼓浪屿等，又如凸显中国建筑特色的四合院与长城等；在艺术文化方面，选用国画、 书法和印章等；宗教神话方面采用如龙、凤、麒麟、祥云、悟空、哪吒、嫦娥奔月、太上老君等内 容；民俗文化如太极图、风筝、新年、十二生肖、炼丹等；精神文化方面含括传统思想、价值观念、 道德观念、宗教信仰等内容。所挑选的六种刊物在2017.1-2020.4期间共出版1001期，其中出现中国 传统元素的封面有66期。依据以上分类，使用频率由高至低依次为山17次、鱼14、龙10、荷花9、太 极8、孤舟8、飞鸟8、灯笼6、流水5、古院5、太阳4、梅花4、哪吒4、古人家3、鹤3、鞭炮3、熊猫 2、长城1、中草药1 (有些封面是多种元素同时出现)。除此之外，哪吒闹海、悟空大闹天宫、太上老 君炼仙丹、后羿射日等神话故事，以及大禹治水、鲤鱼跳龙门、愚公移山等民间传说也成为彰显中 国精神文化的载体。 科技信息发达，技术与价格透明的现代， "设计已经成为最重要的核心竞争力" [2] 。不同的视觉 符号在组合后会形成丰富的结构样式和语义修辞关系 [3] 。作为优越于文字的优势载体，图像话语模 式逐渐取代了语言文化话语模式，进而成为把握和理解客观世界的主要模式 [4] 。期刊封面中这一系 列丰富多彩的中国元素既要凸显化学变化的知识性，又要彰显中国元素独特的文化性，还要展现中 国文化融于世界文化的可塑性，其究竟是以怎样的方式渗透在化学变化过程中，这是我们要探讨的 核心问题。 2 中国元素渗透在化学之变中的表达特点 化学变化时往往伴随着多种多样的现象，但其不变的基本特征是生成新物质 [5] [9] 。正因此，中国元素融入化学之变的方式凸显了与西方 设计美学迥然不同的风貌，凸显了承载历史、弘扬美学、影射实力三个使命。 首先，封面中的中国元素承载着中国传统文化源远流长的历史与博大精深的内蕴。历史的温情 让化学故事的讲述多了一份源自历史的温暖记忆。如太极意象彰显了"天人合一"的中国传统哲学 思想，暗合大自然化育万物，生生不息，周而复始的特质。正因其丰富的历史意蕴，太极成为了化 学类刊物封面设计中备受欢迎的元素，成为一个被日益强化的符号，其无可替代的传统文化阐释力， 其不可言之的文化认知影响力在历史积淀里日益强大。其次，中国传统美学设计具有温和朦胧的特 点，与西方刊物封面设计重视视觉真实的原则相比，中国封面设计在空间表现中富有情景交融感， 具有情感流动的生命感，遵循对传统中国元素观其形、延其意、传其神的基本表达路径。 "形"是第 一层，为客观存在，是物化的形态； "意"是第二层，是内在表征，是寓意、是谐意，传递思想与情 感； "神"是第三层，为无形之意境，为整体的气韵旋律，传递无形的文化积淀。三个层次由浅入深， 由外在到内在，既相互独立又环环相扣，形成一个逐级深入的阐析逻辑。以下以太极意象为例，剖 析封面中中国元素负载的传统文化独特的审美意识与美学表达。 图4展示的论文封面主体因素是太极，背景因素是中国山水自然境，以中国传统文化中的太极图 展现了一种由基因工程重组蜘蛛丝蛋白和聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜修饰的聚对苯二甲酸乙二醇 酯(PET)层组成的"自匹配"摩擦压电纳米发电机(TPNGs)，并且在植入式和可穿戴电子领域有着广泛 的应用 [10] 。封面中左侧白色的带有蜘蛛网纹理的鱼代表着由基因工程重组的蜘蛛丝蛋白，右侧黑色 的带有聚合物网状纹理的鱼代表着聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜修饰的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET) 层。双鱼如太极图状旋转摩擦，背景环绕着电流，暗合摩擦压电纳米发电机中的两种物质摩擦从而 产生电能的机理。太极圆位置居中，带来集中感、均衡感，鱼儿静谧游戏莲叶间，含苞欲放的小荷、 盛情绽放的荷花，体会到时空流转的沉静，内在循环体系的贯通，虚实相生、形神兼备的画境。太 极图以图案化手法，借用透视、几何构图、光影等设计理念，准确把握化学变化的核心理念，围绕 核心运用其他元素，提炼出规律，有目的、有计划地将信息通过艺术的方式展现出来，让受众感受 到化学变化的气息与无穷生命力，形成一种直觉性特征。图案表现与化学变式呈现一致性特点，具 有平衡美、节奏美、对比美，不仅达到审美的愉悦，也达到化学变化中求平衡、追稳定的本质，这 就使封面设计彰显了理性与感性完美结合之曼妙。 图4 柔润的太极与可穿戴研究 [10] a) 论文封面图；b) 分子模型；c) 基于TPNG的手势监控手套的照片 太极封面设计尊崇"道法自然" ，此处的自然是遵循万事万物自身的发展规律，阴阳二体互生构 成浑圆，柔美的S形宛如首尾衔接的双鱼，相互排斥又相互依存，在无形玄妙的气韵里达到对立统 一，饱含宇宙生命的动因。墨气氤氲予人立体感，在浑圆里孕育辐射出万象之静美，颇富曲尽幽情 的审美意识，在体验性与感知性中尽藏理性哲思。太极阴阳图讲述立天之道、立地之道，是人类文 明的古老根基，也是时代相传的基因。浸染于太极意向中的封面，具有极强的意蕴再释性，将化学 之变的精微与幽深扩充为整个封面气韵的无限性，这种独特艺术的无限性是中国元素的独特魅力， 即在形象创造中阐释化学变化独特的生成过程，避免过于简单、直观的植入，以守、变与融为原则 进行设计创新，将感性体悟融入自然科学的理性感知，达成一种运作高妙的传递方式，从而达到比 冰冷的理性表达更温润人心的效应，可能引导受众开悟启慧，感知封面设计中的传统文化的深厚韵 味。 中国传统历史思想与文化以独特的中国式表达渗透在期刊封面设计中，其数量的增多与表达的 多元性都影射着我国科技实力的日益提升。在化学科技领域，中国力量正释放出更强大的声音。封 面设计作为彰显国家文化软实力的载体，是传递中国科技实力的重要支撑，因此，与化学变化主题 相关的封面设计不能止步于设计技能，更应该关注讲述"Cover Story"的能力。 "目前，全球仅有少 量影响因子较高的顶级科技期刊编辑部采用封面图片与"Cover Story"结合的形式，对科学主题进 行深层次阐释" [11] 。讲好中国化学研究故事，讲活中国科技发展故事，至为重要。科技与文化的深 度融合助益文化插上科技的翅膀，助益科技依托文化基石，在互补互益里，在深度弥合里提高国家 彰显软文化实力与硬科技实力的自信。 4 结语 化学作为自然科学的一个门类源于西方，是西方思维方式的产物。化学学科是具有时空分布的 有关物质存在、变化和产生的科学，基于自然辨证法讲究逻辑、概念、推理与判断等理性思考，但 是，在化学之变中蕴含创造的无限可能性，动态的化学变化因为独特的意象时空的赋予具备更强的 张力与弹性。 "中国具有直观悟性经验思维的悠久历史，形成了得天独厚、蕴藏丰富的艺术智慧资 源" [12]…”