當(dāng)前位置:首頁(yè)  科學(xué)頭條

如何讓又脆又硬的無機(jī)材料變得“彈彈彈”

高超團(tuán)隊(duì)研發(fā)出高度可拉伸全碳?xì)饽z彈性體

發(fā)布時(shí)間:2018-03-28來源:浙大新聞辦作者:吳雅蘭 柯溢能7171

在80后90后的童年記憶中,有一個(gè)著名的歷史故事,司馬光砸缸。當(dāng)陶土做的水缸被石塊砸了一下,就破了一個(gè)洞,水流出來了,掉在缸里的孩子也得救了。

而對(duì)于女孩子來說,跳皮筋是洋溢著歡快笑聲的集體游戲,在牛皮筋的一勾一拉中,旋轉(zhuǎn),跳躍,不停歇。

這兩個(gè)童年記憶,其實(shí)包含著一個(gè)自然界的普遍規(guī)律,玻璃、陶瓷這樣的無機(jī)材料通常都是又脆又硬的,沒有什么彈性,而橡膠這類的有機(jī)材料韌性好,彈性足,可以反復(fù)拉伸。

如何讓無機(jī)材料變得像有機(jī)材料那樣可以回彈,是世界很多科學(xué)家的努力目標(biāo)。

這其中就有浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系的高超教授團(tuán)隊(duì)。最近,他們的研究取得了突破性進(jìn)展,設(shè)計(jì)制備出了高度可拉伸的全碳?xì)饽z彈性體,并且表現(xiàn)出優(yōu)異的性能,今后有望應(yīng)用在柔性器件、智能機(jī)器人及航空航天等多個(gè)領(lǐng)域。

論文發(fā)表在國(guó)際著名期刊《自然通訊》,共同第一作者為博士生郭凡、姜炎秋,通訊作者為許震特聘研究員、高超教授。



打破物質(zhì)的本性

材料科學(xué)的發(fā)展一直與人類文明密切相關(guān)?,F(xiàn)如今我們已經(jīng)擁有了各種各樣的材料??墒亲尶茖W(xué)家煩惱的是,無機(jī)材料耐高低溫但沒有彈性,有機(jī)材料有彈性卻又不耐高低溫。

如果能研究出一種無機(jī)材料,在保持耐高低溫的同時(shí)具備一定的彈性,該多好啊?!斑@樣就能擴(kuò)大材料的使用范圍。我們做科學(xué)研究就是要打破物質(zhì)的本性,這樣才能發(fā)現(xiàn)新性能,尋找新用途?!?/p>

研究團(tuán)隊(duì)在研制這一新材料時(shí),聚焦的無機(jī)物材料為碳。因?yàn)樘妓赜械膶?dǎo)電性能,為未來應(yīng)用提供了更多可能性。他們發(fā)現(xiàn),高分子彈性體,比如橡膠,分子是鏈狀結(jié)構(gòu),就像柔軟的棉線團(tuán),有很多纏結(jié)的地方可以被拉開,當(dāng)外力去除,這些高分子的“棉線”又重新纏結(jié)變成線團(tuán)。無機(jī)物之所以不能拉長(zhǎng)再回彈,就是因?yàn)闆]有相似的結(jié)構(gòu)。

這時(shí)候,高超團(tuán)隊(duì)搬出了他們的研究老伙伴,石墨烯。他們希望能在“一片片”的石墨烯中制造出一些褶皺,將高分子的可拉伸“線團(tuán)結(jié)構(gòu)”拓展成為石墨烯中可拉伸的“紙團(tuán)結(jié)構(gòu)”,來提高石墨烯的延展性。

團(tuán)隊(duì)借鑒生物學(xué)理念,從肌肉和關(guān)節(jié)的拉伸中尋找答案,設(shè)計(jì)出類似傳統(tǒng)拉縮式燈籠的結(jié)構(gòu),并用3D技術(shù)打印出來,通過限位壓縮定型,形成一些“褶皺”。這時(shí)候,石墨烯材料可以拉伸100%。

繼續(xù)拉伸,石墨烯的“一片片”分子結(jié)構(gòu)之間就會(huì)出現(xiàn)裂紋。怎么辦?團(tuán)隊(duì)引入了另外一種納米材料——碳納米管,在石墨烯的片層之間打上“補(bǔ)丁”。這樣一來,石墨烯就可以拉伸200%了。

高超教授說,這種全碳?xì)饽z彈性體具有優(yōu)異的抗疲勞性能,在拉伸200%的狀態(tài)下,可穩(wěn)定循環(huán)至少100圈;在100Hz、1%應(yīng)變的狀態(tài)下,可穩(wěn)定循環(huán)至少百萬次。“之前一些研究是在有機(jī)材料上涂一層無機(jī)材料,以此來實(shí)現(xiàn)可拉伸。我們這套方法是改變了材料的本身特性。”

對(duì)于這一新型材料的未來發(fā)展前景,高超教授表示,可以應(yīng)用到與仿真機(jī)器人相關(guān)的導(dǎo)電彈性體上,比如電子皮膚等等?!案蟮囊饬x,我們希望開拓一個(gè)新的研究領(lǐng)域。當(dāng)大家都在研究氣凝膠的壓縮性能時(shí),我們希望換一種思路,從拉伸這個(gè)方向開展研究?!?/p>



從一只雁到一群雁

高超團(tuán)隊(duì)與石墨烯的情緣已有十年之久。

“石墨烯本身是一個(gè)‘很小’的材料。國(guó)際科研領(lǐng)域已經(jīng)對(duì)它的納米級(jí)結(jié)構(gòu)分析得非常透徹了,我們想看看,把它組裝起來變‘大’后會(huì)怎么樣?!?0年前的2008年,高超被引進(jìn)加入浙大高分子系后,為自己定了一個(gè)清晰的全新研究方向——石墨烯宏觀組裝。

他用一首兒歌來解釋這項(xiàng)研究?!扒锾斓搅耍恍写笱阃巷w,一會(huì)排成一字形一會(huì)排成人字形?!碑?dāng)一群大雁在飛行時(shí),我們一眼就能看出雁群的形狀,反倒是一只大雁在空中飛的時(shí)候,我們很難看清楚它的結(jié)構(gòu)。

通過群效應(yīng)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了氧化石墨烯的液晶現(xiàn)象。在一次實(shí)驗(yàn)中,團(tuán)隊(duì)成員把氧化石墨烯倒進(jìn)一個(gè)杯子,偶然對(duì)著光一晃,發(fā)現(xiàn)杯中出現(xiàn)了彩色帶。這是什么原因呢?團(tuán)隊(duì)順藤摸瓜,發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯在溶液中的濃度達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí),會(huì)自發(fā)進(jìn)行取向排列,不但可以流動(dòng)還高度有序。

又有一次實(shí)驗(yàn),成員把兩條氧化石墨烯纖維放在一起,過了一會(huì)兒,這兩條纖維居然“焊”在一起了。原來氧化石墨烯有一種“自融合”的本領(lǐng)。

從這兩大發(fā)現(xiàn)出發(fā),團(tuán)隊(duì)“倒騰”出了四大發(fā)明:石墨烯纖維、石墨烯組裝膜、石墨烯泡沫、石墨烯無紡布,科研成果發(fā)表在《自然通訊》和《先進(jìn)材料》等國(guó)際著名期刊上。

高超說,一流是要不斷奮斗出來的,“不是說做好一個(gè)工作就行,而是要不斷推進(jìn)”。在團(tuán)隊(duì)建設(shè)中,高超也非常強(qiáng)調(diào)“一流”,認(rèn)為要有一流的文化、一流的平臺(tái)、一流的待遇,最終產(chǎn)出一流的成果。他經(jīng)常跟學(xué)生說:“科研首先要發(fā)奮,拼搏了才能有所發(fā)現(xiàn),有所發(fā)明。還要努力讓科研成果轉(zhuǎn)化為對(duì)社會(huì)有用的產(chǎn)品,讓科技發(fā)達(dá)起來,讓國(guó)家發(fā)達(dá)起來。”

從最初的幾個(gè)人,到現(xiàn)在的幾十人,高超團(tuán)隊(duì)也從“一只大雁”發(fā)展到了“一群大雁”。對(duì)于過去沒錢買研究設(shè)備的窘?jīng)r記憶猶新,對(duì)于未來,高超說,他會(huì)堅(jiān)持在首創(chuàng)、極致和影響力三個(gè)層面上繼續(xù)努力。



科學(xué)也可以詩(shī)情畫意

對(duì)于石墨烯宏觀組裝研究,高超今年1月還專門寫了一首詩(shī)來解釋其中的奧妙。

                     氧化石墨烯

                             插層氧化銀成金,

                             水洗超聲片片新。

                             縱是千瘡身百孔,

                             組裝修復(fù)變烯神。

高超說,這首詩(shī)的大意就是,氧化石墨烯通過插層、氧化、水洗、超聲等過程制得,盡管缺陷很多,但可以通過組裝及結(jié)構(gòu)修復(fù)形成有重要應(yīng)用價(jià)值的石墨烯宏觀材料。在他心目中,氧化石墨烯的可塑性太強(qiáng)了,可以在很多領(lǐng)域派上用場(chǎng)。早些年,他還寫過另外一首詩(shī)來贊美石墨烯。

                       烯望

                             石陶銅鐵競(jìng)風(fēng)流,

                             信息時(shí)代硅獨(dú)秀。

                             量子紀(jì)元孰占優(yōu),

                             一片石墨立潮頭。

科研工作很忙,這些作品都是高超利用坐火車乘飛機(jī)這樣的瑣碎時(shí)間完成的。寫詩(shī)和駢文是高超業(yè)余的重要愛好。他認(rèn)為科學(xué)家也可以寫風(fēng)花雪月的詩(shī)句,但如果用詩(shī)的語言表達(dá)科學(xué),更有利于傳播科學(xué),也更能發(fā)揮科學(xué)家的特長(zhǎng)。

“習(xí)總書記曾說,科技創(chuàng)新、科學(xué)普及是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的兩翼,要把科學(xué)普及放在與科技創(chuàng)新同等重要的位置。我覺得,研究不能只是成為枯燥的論文,還要讓公眾能夠看懂?!?/p>

他還認(rèn)為,科學(xué)家要多交小朋友,從而提高科學(xué)的吸引力和公眾的科學(xué)鑒賞能力。


(文 吳雅蘭 柯溢能/圖片由課題組提供