飛絲走線“織就”百萬次超折疊導(dǎo)電材料

近日，來自同濟(jì)大學(xué)、上海師范大學(xué)以及大連理工大學(xué)的科研人員，在用化學(xué)鍵理論闡明本征導(dǎo)電材料不能經(jīng)受大量真折疊原理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用超材料設(shè)計(jì)思想和仿生設(shè)計(jì)思路，使用改進(jìn)的靜電紡絲/梯度碳化技術(shù)，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(dǎo)電碳材料（SFCMs）。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《物質(zhì)》（Matter）。

人類養(yǎng)蠶抽絲已有數(shù)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(chǎn)柔軟的絲綢提供了優(yōu)質(zhì)的原材料。但是這種生蠶繭質(zhì)地僵硬，不能直接制造紡織品。勞動人民在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，通過簡單的堿煮繅絲就能同步實(shí)現(xiàn)蠶繭解交聯(lián)、造孔和膨化等復(fù)雜變化，使之由僵硬變得超柔，能夠承受大量反復(fù)折疊同時產(chǎn)生了ε折疊結(jié)構(gòu)。

“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(jié)構(gòu)。這些都為超折疊導(dǎo)電材料的制備提供了正確的設(shè)計(jì)思想與合理的設(shè)計(jì)路線?！?此項(xiàng)工作的通訊作者之一、同濟(jì)大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院教授吳慶生介紹。

如果能夠?qū)@個制備過程和最終結(jié)構(gòu)進(jìn)行模仿，那么超折疊的結(jié)構(gòu)和性能有可能實(shí)現(xiàn)。基于這樣的想法，吳慶生和同濟(jì)大學(xué)特聘研究員吳彤領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；進(jìn)一步通過梯度升溫原位碳化模仿繅絲過程，不僅同時實(shí)現(xiàn)了材料的解交聯(lián)、造孔和膨化，而且賦予材料導(dǎo)電特性。最終，通過過程和功能的聯(lián)合仿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電超折疊材料的制備。

隨后，科研團(tuán)隊(duì)對該材料的柔性尤其是折疊性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。不僅通過自制的折疊機(jī)對它承受反復(fù)折疊的能力進(jìn)行了考察，而且通過自主設(shè)計(jì)的SEM微觀動態(tài)觀察系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了折疊過程的實(shí)時解析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，它能夠承受超過100萬次的反復(fù)折疊而沒有任何的微結(jié)構(gòu)損傷和導(dǎo)電率變化。而實(shí)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(jié)構(gòu)的全面應(yīng)力分散作用。

這種導(dǎo)電柔性材料的問世，不僅實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)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(yīng)力分散機(jī)制，為其他超折疊導(dǎo)電材料的制備指明了方向。與此同時，該項(xiàng)研究還將解決一系列折疊相關(guān)的柔性電子器件的瓶頸問題，乃至為任意變形的電腦/手機(jī)一體化超柔設(shè)備的制造帶來曙光。(來源：中國科技報(bào))

制衣材料有“記憶” 服裝上演“變形記”

近日，俄羅斯斯科爾科沃科學(xué)技術(shù)學(xué)院的研究人員利用擠壓成型工藝制成了一種形狀記憶材料，這種材料能在變形后恢復(fù)原來的形狀。南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師劉遵峰告訴科技日報(bào)記者，這是一種屬于智能材料的形狀記憶材料，其能夠“記住”第一次成型時的初始形狀，在適當(dāng)條件下它會呈現(xiàn)臨時形狀，但當(dāng)受到熱、光、電等外界刺激時，其又可以從臨時形狀回到初始形狀。形狀記憶材料展示出的自我感知、自我調(diào)節(jié)、自我適應(yīng)等一系列智能響應(yīng)特性，使得它們的發(fā)展速度不斷加快，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、汽車工業(yè)等多個領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。

目前在紡織服裝領(lǐng)域中應(yīng)用的形狀記憶聚合物主要是聚氨酯這種高分子化合物，其形狀記憶功能，可使紡織物的防水性、透氣性等隨體溫變化，從而達(dá)到調(diào)節(jié)體溫的作用。還可設(shè)置合適的觸發(fā)溫度，使聚氨酯紡織品褶皺時能恢復(fù)到初始的記憶形狀，從而達(dá)到抗皺的效果。

此外，隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，近年來也有科學(xué)家利用“人工肌肉”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)紡織品的“記憶”功能。

隨著3D打印等技術(shù)的發(fā)展，哈佛大學(xué)的研究人員用角蛋白(存在于頭發(fā)、指甲和貝殼中的纖維蛋白)研發(fā)出一種生物相容性材料。他們從廢棄羊毛中提取角蛋白，將這些角蛋白作為墨水，3D打印成扁平星形、環(huán)形和扁平條形等不同形狀的紙張。研究人員選取一種形狀的紙，將其放入過氧化氫和磷酸二氫鈉溶液中，紙張現(xiàn)有的形狀就會被預(yù)設(shè)成永久形狀，當(dāng)紙張擁有新形狀后，只要放入水中即可恢復(fù)為預(yù)設(shè)的永久形狀。

目前，形狀記憶材料在服裝中應(yīng)用最廣泛的就是形狀記憶合金。比如鎳鈦合金最早被應(yīng)用于文胸內(nèi)，起托墊保形作用。即使在清洗穿戴過程中發(fā)生變形，也會被體溫“暖”回原形。如今這種文胸在市場上已不鮮見。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，鎳鈦合金形狀記憶纖維也越來越多地應(yīng)用于紡織服裝中。比較常見的是把鎳鈦合金形狀記憶纖維加入“體形龐大”的婚紗或者演出服中，這樣在運(yùn)輸和儲存過程中便于折疊。在使用前，只需用電吹風(fēng)吹一下，就會立刻恢復(fù)“出廠設(shè)置”。

也有英國防護(hù)服裝和紡織品機(jī)構(gòu)把鎳鈦合金形狀記憶纖維應(yīng)用到防燙傷服裝中。通過把鎳鈦合金形狀記憶纖維加工成寶塔式螺旋彈簧狀，再進(jìn)一步加工成平網(wǎng)狀，然后固定在服裝面料內(nèi)。當(dāng)該服裝表面接觸高溫時，形狀記憶纖維的形變被觸發(fā)，纖維迅速由平網(wǎng)狀變回寶塔狀，在兩層織物內(nèi)形成很大的空腔，使高溫遠(yuǎn)離人體皮膚。

不過由于含有合金纖維，衣服不可避免地會帶著一些金屬特有的灰色調(diào)，這對需要布料的顏色、質(zhì)感豐富多樣的服裝行業(yè)來說，無疑是拖了后腿。而且由于原材料、加工技術(shù)等限制，合金纖維形狀記憶紡織物很難被大范圍推廣。而具有形狀記憶功能的聚氨酯類新材料則可以很好地解決這些問題，以最常見的由PTT(聚對苯二甲酸丙二醇酯)高聚物制作的形狀記憶紡織品為例，它屬于力與體溫聯(lián)合刺激誘發(fā)形狀記憶功能的材料，靠體溫或者用手撫摸，就能“熨”平服裝。關(guān)鍵是這種材料的分子鏈為直連結(jié)構(gòu)，易于紡絲加工，還容易染色，耐氣候性和耐溶性好，因此更容易被應(yīng)用于紡織材料中。目前已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品主要有毛精紡面料、針織面料、經(jīng)編面料、無縫內(nèi)衣、毛衫、地毯等，這些產(chǎn)品已經(jīng)逐步走向市場。而我國開發(fā)的PTT長絲系列也已經(jīng)達(dá)到較高水平，規(guī)格齊全、品種多樣。（來源：科技日報(bào)）