創新暢想

飛絲走線“織就”百萬次超折疊導電材料

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）。

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介紹。

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。基于這樣的想法，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。

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。(來源：中國科技報)

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技術學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原來的形狀。南開大學化學學院教授、博士生導師劉遵峰告訴科技日報記者，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，在適當條件下它會呈現臨時形狀，但當受到熱、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、自我調節、自我適應等一系列智能響應特性，使得它們的發展速度不斷加快，在航空航天、生物醫學、汽車工業等多個領域的應用也越來越廣泛。

目前在紡織服裝領域中應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，從而達到調節體溫的作用。還可設置合適的觸發溫度，使聚氨酯紡織品褶皺時能恢復到初始的記憶形狀，從而達到抗皺的效果。

此外，隨著科技的發展進步，近年來也有科學家利用“人工肌肉”技術，實現紡織品的“記憶”功能。

隨著3D打印等技術的發展，哈佛大學的研究人員用角蛋白(存在于頭發、指甲和貝殼中的纖維蛋白)研發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，紙張現有的形狀就會被預設成永久形狀，當紙張擁有新形狀后，只要放入水中即可恢復為預設的永久形狀。

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

隨著技術的不斷進步，鎳鈦合金形狀記憶纖維也越來越多地應用于紡織服裝中。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，這樣在運輸和儲存過程中便于折疊。在使用前，只需用電吹風吹一下，就會立刻恢復“出廠設置”。

也有英國防護服裝和紡織品機構把鎳鈦合金形狀記憶纖維應用到防燙傷服裝中。通過把鎳鈦合金形狀記憶纖維加工成寶塔式螺旋彈簧狀，再進一步加工成平網狀，然后固定在服裝面料內。當該服裝表面接觸高溫時，形狀記憶纖維的形變被觸發，纖維迅速由平網狀變回寶塔狀，在兩層織物內形成很大的空腔，使高溫遠離人體皮膚。

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，這對需要布料的顏色、質感豐富多樣的服裝行業來說，無疑是拖了后腿。而且由于原材料、加工技術等限制，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，它屬于力與體溫聯合刺激誘發形狀記憶功能的材料，靠體溫或者用手撫摸，就能“熨”平服裝。關鍵是這種材料的分子鏈為直連結構，易于紡絲加工，還容易染色，耐氣候性和耐溶性好，因此更容易被應用于紡織材料中。目前已經開發的產品主要有毛精紡面料、針織面料、經編面料、無縫內衣、毛衫、地毯等，這些產品已經逐步走向市場。而我國開發的PTT長絲系列也已經達到較高水平，規格齊全、品種多樣。（來源：科技日報）