功能化纱线的制备流程及其在农业中的应用场景

光照强度、温度湿度、盐碱度……通过农业信息智能感知技术，可以将作物生长相关的生理指标“一网打尽”。

实时监测这些指标需要电力驱动，然而田间地头常常难以铺设管线，此外，电池续航能力有限和污染问题也比较突出。为解决此问题，浙江大学生物系统工程与食品科学学院智能生物产业装备创新团队（IBE）的平建峰研究员等提出，可以从农业环境中挖掘自然能源并将其高效转化为电能。

该研究团队首次将摩擦纳米发电机技术应用于农用纺织品中，并对降雨时雨滴能进行收集，通过能量转化获取电能。相关研究成果近日发表于《纳米能源》（Nano Energy）。

从自然环境中挖掘能源

南方地区经常暴雨成灾，造成农业生产的巨大损失。农用纺织品在大棚设施中最为常见，它能够遮阴挡雨，保护农作物。

如何从农业环境中挖掘能源？研究团队通过纱线表面功能化，将摩擦纳米发电机依附在纱线上，织成智能化农用纺织品，利用雨水冲刷时的电子转移与流动产生电流，从而源源不断地为智慧农业供能。

平建峰介绍道，这个研究灵感来自仲夏时节一场突如其来的大雨。大雨进入来不及关闭的窗户，摧残了窗台边的绿植，也引发了科研人员的思考：“大雨中农作物所处的环境只会更恶劣，我们能不能想办法变劣为良呢？”

于是，研究团队开始在实验室模拟各种环境。数据显示，在9.5牛顿的连续力作用下，3厘米长的纱线可以产生7.7伏的电压。以此推断，装载摩擦纳米发电机的纱线做成的大棚布不仅可以成为农作物、动物的“保护伞”，还可以作为雨滴能的收集器。

覆盖两层特殊功能材料

为什么雨滴的能量可以转化成电能？“这是因为我们对农用纺织品的纱线进行了特殊改造。”平建峰解释道，“科研人员在其表面覆盖了两层特殊材料——导电的碳化钛纳米材料和不导电的聚二甲基硅氧烷，它们是构成摩擦纳米发电机的关键材料。”

聚二甲基硅氧烷是一种常见的高分子聚合物，能够防水并与环境中的雨水发生电子转移。而碳化钛感应电极，不仅具有高导电性能，还因其高电负性可以助力表面聚合物抢夺电子。

平建峰介绍说，这两种材料具有良好的生物相容性，在实现农用纺织品原有的保温、遮阳、水土保持、排水灌溉、种子培育的功能基础上，还能从自然环境中源源不断地获取能源，为智慧农业提供驱动力。

也有人对此提出质疑，如果没有降雨，改造后的纱线还收集并提供能源吗？“雨水不足，我们还可以采集风能。”平建峰从摩擦纳米发电机的原理讲起，其动力源既可以是风力、水力、海浪等自然能源，也可以是人的行走、手的触摸、下落的雨滴等随机能源，甚至可以是车轮的转动、机器的轰鸣等垃圾能源。

在这项研究结果发布之前，研究团队就已开始着手将摩擦纳米发电机技术应用于农业。团队曾设计了一种由摩擦纳米发电机和微型超级电容器组成的集成式自清洁、自充电装置，它能高效地从雨滴中收集能量并进行存储。

“实验中，我们将3×7厘米的薄膜器件贴附在植物叶片上，用于收集雨水的能量。模拟自然界中的降雨，经过该器件的转化和存储，可以为商业化的农业环境温湿度传感器件提供电能。”平建峰介绍道。

助力农业信息无源实时感知

未来，这些被改造的农用纺织品建成的大棚通过连接储能设备，不仅可以为种植业和畜牧业提供保护，以提高农畜产品质量与产量，还可以为物联网感知器件源源不断地输送电能。

因其对环境没有破坏，这项技术可以称为绿色能源技术。由此可见，装载摩擦纳米发电机的纱线可以说是智慧农业的“无源活水”。但平建峰指出，该纱线的规模化应用推广尚需时日。

“目前小规模的制备我们可以实现精准化，但大规模制备上还存在一些问题。一方面碳化钛纳米材料的制备成本较高，推广有难度，未来需要寻找廉价替代材料；另一方面材料的涂覆技术尚未形成工艺，尤其是对涂覆厚薄有待进一步摸索。此外，线路连接、编织方式等都需要进行优化。”平建峰说。

下一步，研究团队还将通过优化结构、编织纱线、管理电路等进一步提升该技术的实用性能，助力实现农业信息无源实时感知，为农业绿色生产创造有利条件。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104863