创新畅想

飞丝走线“织就”百万次超折叠导电材料

近日，来自同济大学、上海师范大学以及大连理工大学的科研人员，在用化学键理论阐明本征导电材料不能经受大量真折叠原理的基础上，应用超材料设计思想和仿生设计思路，使用改进的静电纺丝/梯度碳化技术，首次仿生制备了一种可承受100万次乃至无限次真折叠而无任何损伤的超折叠导电碳材料（SFCMs）。相关研究成果在线发表于《物质》（Matter）。

人类养蚕抽丝已有数千年的历史，家蚕通过神奇的飞丝走线技艺喷丝作茧，为生产柔软的丝绸提供了优质的原材料。但是这种生蚕茧质地僵硬，不能直接制造纺织品。劳动人民在生产实践中发现，通过简单的碱煮缫丝就能同步实现蚕茧解交联、造孔和膨化等复杂变化，使之由僵硬变得超柔，能够承受大量反复折叠同时产生了ε折叠结构。

“家蚕吐丝—做茧—缫丝等一系列过程能够获得具有超折叠能力的熟蚕茧及其自然形成的ε折叠结构。这些都为超折叠导电材料的制备提供了正确的设计思想与合理的设计路线。” 此项工作的通讯作者之一、同济大学化学科学与工程学院教授吴庆生介绍。

如果能够对这个制备过程和最终结构进行模仿，那么超折叠的结构和性能有可能实现。基于这样的想法，吴庆生和同济大学特聘研究员吴彤领衔的研究团队使用仿生的高分子静电纺丝来模仿家蚕的喷丝作茧过程和类似的网络结构；进一步通过梯度升温原位碳化模仿缫丝过程，不仅同时实现了材料的解交联、造孔和膨化，而且赋予材料导电特性。最终，通过过程和功能的联合仿生技术，实现了导电超折叠材料的制备。

随后，科研团队对该材料的柔性尤其是折叠性能进行了系统的研究。不仅通过自制的折叠机对它承受反复折叠的能力进行了考察，而且通过自主设计的SEM微观动态观察系统首次实现了折叠过程的实时解析。结果发现，它能够承受超过100万次的反复折叠而没有任何的微结构损伤和导电率变化。而实时折叠观察揭示了这种突破性的无损超折叠能力起源于折叠时形成的ε结构的全面应力分散作用。

这种导电柔性材料的问世，不仅实现了导电材料在超折叠性能上的突破，还弄清了其在折叠过程中的应力分散机制，为其他超折叠导电材料的制备指明了方向。与此同时，该项研究还将解决一系列折叠相关的柔性电子器件的瓶颈问题，乃至为任意变形的电脑/手机一体化超柔设备的制造带来曙光。(来源：中国科技报)

制衣材料有“记忆” 服装上演“变形记”

近日，俄罗斯斯科尔科沃科学技术学院的研究人员利用挤压成型工艺制成了一种形状记忆材料，这种材料能在变形后恢复原来的形状。南开大学化学学院教授、博士生导师刘遵峰告诉科技日报记者，这是一种属于智能材料的形状记忆材料，其能够“记住”第一次成型时的初始形状，在适当条件下它会呈现临时形状，但当受到热、光、电等外界刺激时，其又可以从临时形状回到初始形状。形状记忆材料展示出的自我感知、自我调节、自我适应等一系列智能响应特性，使得它们的发展速度不断加快，在航空航天、生物医学、汽车工业等多个领域的应用也越来越广泛。

目前在纺织服装领域中应用的形状记忆聚合物主要是聚氨酯这种高分子化合物，其形状记忆功能，可使纺织物的防水性、透气性等随体温变化，从而达到调节体温的作用。还可设置合适的触发温度，使聚氨酯纺织品褶皱时能恢复到初始的记忆形状，从而达到抗皱的效果。

此外，随着科技的发展进步，近年来也有科学家利用“人工肌肉”技术，实现纺织品的“记忆”功能。

随着3D打印等技术的发展，哈佛大学的研究人员用角蛋白(存在于头发、指甲和贝壳中的纤维蛋白)研发出一种生物相容性材料。他们从废弃羊毛中提取角蛋白，将这些角蛋白作为墨水，3D打印成扁平星形、环形和扁平条形等不同形状的纸张。研究人员选取一种形状的纸，将其放入过氧化氢和磷酸二氢钠溶液中，纸张现有的形状就会被预设成永久形状，当纸张拥有新形状后，只要放入水中即可恢复为预设的永久形状。

目前，形状记忆材料在服装中应用最广泛的就是形状记忆合金。比如镍钛合金最早被应用于文胸内，起托垫保形作用。即使在清洗穿戴过程中发生变形，也会被体温“暖”回原形。如今这种文胸在市场上已不鲜见。

随着技术的不断进步，镍钛合金形状记忆纤维也越来越多地应用于纺织服装中。比较常见的是把镍钛合金形状记忆纤维加入“体形庞大”的婚纱或者演出服中，这样在运输和储存过程中便于折叠。在使用前，只需用电吹风吹一下，就会立刻恢复“出厂设置”。

也有英国防护服装和纺织品机构把镍钛合金形状记忆纤维应用到防烫伤服装中。通过把镍钛合金形状记忆纤维加工成宝塔式螺旋弹簧状，再进一步加工成平网状，然后固定在服装面料内。当该服装表面接触高温时，形状记忆纤维的形变被触发，纤维迅速由平网状变回宝塔状，在两层织物内形成很大的空腔，使高温远离人体皮肤。

不过由于含有合金纤维，衣服不可避免地会带着一些金属特有的灰色调，这对需要布料的颜色、质感丰富多样的服装行业来说，无疑是拖了后腿。而且由于原材料、加工技术等限制，合金纤维形状记忆纺织物很难被大范围推广。而具有形状记忆功能的聚氨酯类新材料则可以很好地解决这些问题，以最常见的由PTT(聚对苯二甲酸丙二醇酯)高聚物制作的形状记忆纺织品为例，它属于力与体温联合刺激诱发形状记忆功能的材料，靠体温或者用手抚摸，就能“熨”平服装。关键是这种材料的分子链为直连结构，易于纺丝加工，还容易染色，耐气候性和耐溶性好，因此更容易被应用于纺织材料中。目前已经开发的产品主要有毛精纺面料、针织面料、经编面料、无缝内衣、毛衫、地毯等，这些产品已经逐步走向市场。而我国开发的PTT长丝系列也已经达到较高水平，规格齐全、品种多样。（来源：科技日报）