研究成果
2026年10月8日齐鲁工业大学孙加振/中科院化学所宋延林团队在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》（影响因子：12.498）发表最新研究成果。受软骨结构启发，团队提出液-液界面动态受限组装新策略，利用直写印刷技术在未固化液态PDMS基底上构筑出致密堆积的BaTiO3纳米粒子组装体，实现了兼具高形变能力与高稳定性的柔性压电可靠自供电，为下一代可穿戴电子设备自供电、户外绿色清洁能源照明与智能高电压输出提供了创新解决方案。
研究背景
机械能广泛存在于自然界与人体之中，如风能驱动下的结构振动、雨滴碰撞产生的冲击力、潮汐运动引起的形变，以及人体运动带来的压力等。压电材料凭借原子或离子的非中心对称结构，可通过极化效应将机械能高效转化为电能，在自供电领域具有重要应用价值。然而，实现可靠的压电自供电，既需要较高的形变能力以保证力的传递，又需要较高的稳定性以保证力-电转换的可靠。有机压电材料（如PVDF及其共聚物）依赖β晶相实现压电效应，宏观刚度较大；无机压电陶瓷具有长程有序的原子排列，在大应变下易沿解理面发生脆性断裂。将压电纳米粒子组装并与聚合物复合虽然可提升柔性，但纳米粒子间较弱的界面结合限制了组装体的柔性与耐久性。软骨是结缔组织，由胶原纤维基质包裹软骨细胞及其周围的无定形凝胶构成，在拉伸、压缩、扭转等复杂受力条件下仍具有高柔性。受此启发，将压电纳米粒子组装体封装于弹性体中，有望同时获得高形变能力与高结构稳定性。
柔性压电纳米粒子组装体的制备与调控
研究以水热法合成的四方相BaTiO3纳米粒子（粒径约400 nm）压电单元分散液为墨水；以旋涂于PET基底上的未固化液态PDMS为基材，采用直写印刷方式将墨水挤出并打印于基材表面。印刷过程中，墨水溶剂向液态PDMS基底扩散释放，同时基底表面发生回缩，二者协同诱导液-液界面动态受限组装，在PDMS固化后形成致密堆积、且被PDMS紧密包覆的BaTiO3纳米粒子组装体。
通过调节墨水质量分数（10~50 wt%）、打印速度与打印压力等参数，可对组装体的宽度与形貌进行精准调控：在相同打印压力与速度下，墨水质量分数越低，组装体直径越小；在相同质量分数与速度下，打印压力越大，组装体直径越大；此外，通过改变基底固化程度（未固化液态、半固化、全固化），可获得全封装、半封装与非封装等不同受限状态。
柔性压电性能
在封装结构中，PDMS分子链通过范德华力与机械互锁作用紧密吸附于BaTiO3纳米粒子组装体表面，形成牢固的界面结合，有效提升了组装体的弹性模量，并保证外力作用下组装体的结构完整性。力学传递行为测试表明，PDMS吸收的应力可高效传递至BaTiO3组装体：在同一结构上加载不同质量砝码即可精确改变灯泡亮度，峰值电压分别达到0.24 V与0.9 V；在扭转过程中可获得从3.8 V到−3 V的连续压电信号。柔性测试中，非封装与半封装组装体在0.1 mm−1曲率下仅弯曲1万次后输出电压即显著衰减，而封装组装体在相同曲率下弯曲100万次后仍能保持稳定的电压输出。
封装与极化协同可显著提升柔性压电组装体的输出一致性。极化后，BaTiO3纳米粒子的电畴沿电场方向取向，偶极子在外力作用下可产生方向一致的电荷响应。相同打印参数（4×2.5 cm基底、2.5 mm线间距）的组装体，在相同压力下峰值电压由0.85 V提升至1.3 V，在相同扭转下由2.2 V提升至3.8 V。对5个相同打印参数的样品进行对比，极化前弯曲输出为3.5~5.5 V且彼此离散，极化后输出稳定在10.1 V且高度一致；压电电压系数由0.0367 V·m·N−1提升至0.0468 V·m·N−1，为可靠自供电提供了定量依据。
可靠自供电应用
在自然界机械能收集方面，直写印刷可定制多种图形的柔性压电纳米粒子组装体，用于收集风能、雨滴动能与潮汐能等机械能并转化为电能。所制备的组装体可在黑暗的户外与庭院环境中实现自供电照明，点亮灯泡并呈现稳定的照明效果；PDMS封装层可作为防护层，有助于抵抗湿度与温度的影响，从而提升器件在户外复杂环境下的稳定性。
在人体机械能收集方面，柔性压电纳米粒子组装体可将手指按压、握拳与行走等人体运动的机械能转化为电能，实现不同数量灯泡的显示、环境装饰以及鞋载可穿戴电子供能。进一步地，团队将柔性压电纳米粒子组装体与多层感知机（MLP）神经网络相结合，对打印线数与表面压力等多参数条件下的输出电压进行建模预测，预测峰值电压可达万伏级，从而实现可控高压输出；并通过多个组装体串联，在潮湿空气与乙醇气氛中分别观察到淡紫色与淡蓝色尖端放电现象，为绿色、智能能源工程提供了新的思路。
该研究得到上海出版印刷高等专科学校智能与绿色柔版印刷重点实验室开放招标课题、山东省自然科学基金面上项目、国家级大学生创新训练计划项目、齐鲁工业大学（山东省科学院）国际合作项目以及校（院）大型仪器分析测试平台的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.182819
孙加振，博士，副教授，硕士生导师，山东省高校青创团队负责人，分别于曲阜师范大学、北京印刷学院、北京航空航天大学获得印刷工程专业、材料物理与化学专业、材料物理与化学专业学士、硕士、博士学位，2017年10月就职于齐鲁工业大学，致力于印刷微纳结构研究，制造绿色产品、功能器件及组织器官等。在Adv Mater, Chem Eng J, Colloid Surface B, Prog Org Coat, ACS Appl Mater Interfaces, Appl Surf Sci等期刊发表30余篇SCI论文，被引用1300余次，H指数18。申请发明专利10余件，授权6件。主持国家自然科学基金青年项目，山东省自然科学基金面上项目，山东省重点研发计划公益性科技攻关类，山东省高等学校青年创新团队发展计划等科研项目。Adv Mater, Adv Funct Mater, ACS Nano, Addit Manuf, J Manuf Processes, Chem Eng J, J Clean Prod等期刊审稿人。教育部学位论文、国家级大学生创新训练项目、济南市集成电路产业发展智库等评审专家。
宋延林，中国科学院化学研究所研究员，博士生导师，中国科学院绿色印刷重点实验室主任，国家基金委杰出青年基金获得者，长江学者特聘教授。中国材料研究学会荣誉常务理事、中国印刷技术协会和中国微纳米技术学会常务理事，ISO/TC130国际印刷标准委员会主席。在纳米绿色印刷、功能新材料、生物制造、光子材料等领域深耕三十余年，提出和发展了纳米绿色印刷制造技术，突破传统印刷技术的边界，从绿色版材、绿色制版和绿色油墨的产业化落地，拓展至 AI 驱动 DNA 打印合成、类器官生物芯片、光学超材料量产等颠覆性研究。主持国家重点研发计划、国家基金委重大项目和国家基金委创新群体、中科院战略先导项目（A类）等项目。发表Nature、Science等SCI收录论文600余篇，引用56,000余次，H指数126。主持和参加编写中英文专著16部；授权中国和美国、日本、欧盟、韩国等发明专利170余件。获国家自然科学二等奖、北京市科学技术一等奖、全国创新争先奖、中国青年科技奖、中科院杰出青年、中国科协求是杰出青年成果转化奖、中国化学会-阿克苏诺贝尔化学奖、亚洲化学联合学会经济发展杰出贡献奖、国际电工标准组织IEC1906奖、中华印制大奖和毕昇印刷杰出成就奖等。入选首批科技北京领军人才、万人计划领军人才、中青年科技创新领军人才、国家百千万人才工程和全国优秀科技工作者等。
