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        飛絲走線“織就”百萬次超折疊導電材料

        來源:《物質》 作者:吳慶生等 發布時間:2021-11-29 15:14:57 瀏覽次數: 【字體:

         研究人員捕捉到超折疊碳實時折疊的微觀結構變化和應力分散過程 (同濟大學供圖)

        近年來,柔性電子尤其是可穿戴器件發展迅速,有望為人們的工作和生活帶來翻天覆地的變化。然而,當它們在朝著便攜、變形等方向進一步發展的過程中,遭遇了導電材料無法大量無損真折疊的瓶頸問題。

        比如,目前熱炒的可折疊手機實際上只是利用了一個旋轉軸,根本無法進行任意折疊;一些可穿戴電子設備不可避免地要遇到反復折疊的問題,至今也無法解決。若要解決這些問題,超折疊導電材料無疑是關鍵的一環。

        實際上,人們對導電材料的折疊已經進行了大量的探索,可距離超折疊性能仍相差甚遠,哪怕千次以上的無損真折疊也無法實現。

        近日,來自同濟大學、上海師范大學以及大連理工大學的科研人員,在用化學鍵理論闡明本征導電材料不能經受大量真折疊原理的基礎上,應用超材料設計思想和仿生設計思路,使用改進的靜電紡絲/梯度碳化技術,首次仿生制備了一種可承受100萬次乃至無限次真折疊而無任何損傷的超折疊導電碳材料(SFCMs)。相關研究成果在線發表于《物質》(Matter)。

        難啃的超折疊“骨頭”

        在日常工作和生活中,人們常常存在一個認識誤區,那就是認為導電材料的折疊根本不是事兒。

        實則不然。比如,金屬材料是由無方向性的金屬鍵組成的,因而具有一定的柔韌性,可以進行彎曲甚至少量折疊。但金屬鍵作為化學鍵的一種,也是短程力,經不住180°真折疊的大幅度的調度,多次折疊帶來的損傷積累最終會導致斷裂。

        導電高分子是由共軛大∏鍵組成的,具有雙鍵性質,并且比單鍵具有更多的剛性,經受不住大的變形,更不必說反復折疊了。

        以單層石墨烯、單根碳納米管和碳納米纖維為代表的碳材料通常被認為具有很好的柔性,但實際上石墨烯是由sp2雜化的大的共軛Π鍵構成的超薄平面結構,其中共軛Π鍵具有雙鍵性質,無法承受大量反復的真折疊;碳納米管其實相當于卷曲的石墨烯,碳納米纖維中含有大量的石墨化結構,自然經受不住反復的真折疊。

        總之,目前的本征導電材料在理論上和實踐上都不能承受大量次數的真折疊。如果要實現超折疊性能,需要設計出能夠避免化學鍵直接面對折疊的應力分散結構。

        為此,人們進行了大量的探索,通過引入不同的孔結構、調節組裝單元間的界面作用、組裝不同的立體結構,制備出如金屬網格、瓦楞狀石墨烯多層膜、竹節狀的碳納米纖維等柔性導電材料,因此它們的柔性得到了有效的提升。原本只能彎一彎的材料變得可以折疊,甚至有的材料在以結構損傷為代價的前提下可以實現千次的折疊。

        遺憾的是,由于沒有理論的指引,科研人員一直在黑暗中摸索,使得現有材料的折疊性能遠遠不能滿足實際使用的要求,更談不上超折疊。

        山重水復疑無路,柳暗花明又一村。一次參觀蠶廠的機會,讓同濟大學的科研人員倍受啟發,走出了一條實現超折疊結構和性能的“仿生之路”。

        源于噴絲作繭的靈感

        人類養蠶抽絲已有數千年的歷史,家蠶通過神奇的飛絲走線技藝噴絲作繭,為生產柔軟的絲綢提供了優質的原材料。但是這種生蠶繭質地僵硬,不能直接制造紡織品。勞動人民在生產實踐中發現,通過簡單的堿煮繅絲就能同步實現蠶繭解交聯、造孔和膨化等復雜變化,使之由僵硬變得超柔,能夠承受大量反復折疊同時產生了ε折疊結構。

        “家蠶吐絲—做繭—繅絲等一系列過程能夠獲得具有超折疊能力的熟蠶繭及其自然形成的‘ε’折疊結構。這些都為超折疊導電材料的制備提供了正確的設計思想與合理的設計路線?!?此項工作的通訊作者之一、同濟大學化學科學與工程學院教授吳慶生告訴《中國科學報》。

        如果能夠對這個制備過程和最終結構進行模仿,那么超折疊的結構和性能有可能實現?;谶@樣的想法,吳慶生和同濟大學特聘研究員吳彤領銜的研究團隊使用仿生的高分子靜電紡絲來模仿家蠶的噴絲作繭過程和類似的網絡結構;進一步通過梯度升溫原位碳化模仿繅絲過程,不僅同時實現了材料的解交聯、造孔和膨化,而且賦予材料導電特性。最終,通過過程和功能的聯合仿生技術,實現了導電超折疊材料的制備(見圖)。

        制備超折疊碳材料的仿生設計 (同濟大學供圖)

        隨后,科研團隊對該材料的柔性尤其是折疊性能進行了系統的研究。不僅通過自制的折疊機對它承受反復折疊的能力進行了考察,而且通過自主設計的SEM微觀動態觀察系統首次實現了折疊過程的實時解析。結果發現,它能夠承受超過100萬次的反復折疊而沒有任何的微結構損傷和導電率變化。而實時折疊觀察揭示了這種突破性的無損超折疊能力起源于折疊時形成的ε結構的全面應力分散作用。

        這種導電柔性材料的問世,不僅實現了導電材料在超折疊性能上的突破,還弄清了其在折疊過程中的應力分散機制,為其他超折疊導電材料的制備指明了方向。與此同時,該項研究還將解決一系列折疊相關的柔性電子器件的瓶頸問題,乃至為任意變形的電腦/手機一體化超柔設備的制造帶來曙光。

        創新永不止步

        研究結果的取得令人振奮,但過程中的個中滋味卻只有親歷者才能體會。在研究過程中,研究人員也曾遇到很多困難,甚至一度冒出放棄的念頭,但最終還是依靠堅強的意志和團隊的力量,經過三年多的刻苦攻堅,終于取得了成功。

        對于超折疊材料的實現而言,擺在科研團隊面前的最大難題是至今無人知道什么樣的構造可以實現超折疊。后來由于受到熟蠶繭能夠超折疊并且產生ε結構的啟發,明白了其中的構造奧秘,難題便迎刃而解。

        如何實現這種構造的制備,是團隊亟需解決的第二個難題。家蠶的噴絲作繭過程與常用的高分子靜電紡絲工藝非常相似。但是現有的大量靜電紡絲工作都沒有實現超折疊的結果?!斑@說明生搬硬套老方法是完全行不通的,必須在傳統的靜電紡絲中闖出一條新路來。于是我們通過大量的儀器改造和技術優化探索,終于迎來了超折疊碳材料的誕生?!北狙芯康谝蛔髡?、同濟大學博士昝廣濤告訴《中國科學報》。

        在科學探索的道路上,創新永無止境?!跋乱徊?,我們將會把本工作建立的理論和方法拓展到更多更廣的超折疊材料和設備中去。讓可折疊手機等柔性電子設備變得收放自如,讓可穿戴器件可以自身發電、自由活動、隨意洗藏,讓折紙式手機/電腦一體化早日實現?!眳菓c生充滿信心地表示。(來源:中國科學報 倪偉波)

        相關論文信息:https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.07.021

        終審:甘肅省科協信息中心采編部
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