电子废弃物对全球环境和人类健康的威胁日益严峻，引起了特别关注。可持续和可降解材料合成的摩擦电设备是一种有前途的电子替代品，但在实际应用中仍未解决聚合物基材与电极的界面机械失配问题。
为了解决这个问题，近日王双飞院士团队聂双喜教授课题组利用巯基硅烷反应以及动态共价化学中醇-醚交换反应的化学选择性和位点特异性，制备了一种高韧性、可降解的单片集成式摩擦电生物塑料。通过共价键适应界面相互作用的方式耗散应力，实现了绿色电子材料中聚合物介电层与导电层良好的界面结合。该项成果以题为“A Tough Monolithic Integrated Triboelectric Bioplastic Enabled by Dynamic Covalent Chemistry”发表在最新一期学术期刊《Advanced Materials》（IF=29.4）上。
这种聚合物基材与导电层界面互锁的单片集成式摩擦电生物塑料，其制备过程主要涉及聚合物表面微结构构筑以及两个化学反应过程，包括：聚合物表面巯基硅烷化和硫醇-二硫醚交换反应。表面微结构构筑是将再生纤维素（RC）置于定制的具有微光栅结构的模具中，通过热压脱水制成。聚合物表面巯基硅烷化是通过（3-巯基丙基）三甲氧基硅烷（MPTMS）向具有表面微结构的RC进行化学接枝，得到巯基硅烷化的再生纤维素（RC-MPTMS）。为了完成硫醇-二硫键的交换反应，首先将牛血清白蛋白（BSA）和碳纳米管（CNT）复合得到杂化的导电油墨（BSA/CNT）。然后将其涂覆在RC-MPTMS表面。最后脱水干燥完成硫醇-二硫键的共价交换反应。
单片集成式摩擦电生物塑料具有良好的拉伸性能、断裂韧性、抗裂纹性，以及聚合物基材与导电层具有优异界面黏附性能。高力学性能源于界面多种相互作用的共同结果。表面微观结构为化学键提供了更多的活性作用位点。动态二硫化物键起主要作用，承担和耗散大部分由加载和拉伸产生的应力。丰富的氢键则作为牺牲键，通过断裂和重组以耗散能量和抵抗残余应力。
单片集成式的摩擦电生物塑料具有优异的化学耐受性、界面水稳定性和降解性能，这为绿色电子产品在复杂环境下的应用奠定了基础。摩擦电生物塑料在水和常见的化学有机溶剂中浸泡很长时间后（60天），依然可以保持其形状上的稳定，且质量基本保持不变（98.7%）。同时，该生物塑料可在45天内自然降解，不会对环境造成额外负担。
面积仅为4 cm2的摩擦电生物塑料可以实现130 V的电压输出，并能成功点亮100展LED灯。即使经过长时间和不同频率循环测试后，摩擦电响应性能依旧不变，并展现出快速的响应和恢复速度，响应与恢复时间都为52 ms。通过传感器可以精准的监测手指弯曲状态。最后利用蓝牙将数字信号无线传输到手机应用程序，可以实现实时的移动终端无线监测。
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