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浙大攻克世界性難題：制備出彈性碳材料，可用于航空等領(lǐng)域

2020-02-07 12:08:56 作者：本網(wǎng)整理來源：世界先進(jìn)制造技術(shù)論壇分享至：

如何讓無機材料變得像有機材料那樣可以回彈，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。最近，他們的研究取得了突破性進(jìn)展，設(shè)計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、智能機器人及航空航天等多個領(lǐng)域。

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

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

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論文發(fā)表在國際著名期刊《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)。現(xiàn)如今我們已經(jīng)擁有了各種各樣的材料。可是讓科學(xué)家煩惱的是，無機材料耐高低溫但沒有彈性，有機材料有彈性卻又不耐高低溫。

如果能研究出一種無機材料，在保持耐高低溫的同時具備一定的彈性，該多好啊。“這樣就能擴大材料的使用范圍。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。”

研究團(tuán)隊在研制這一新材料時，聚焦的無機物材料為碳。因為碳所特有的導(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)。無機物之所以不能拉長再回彈，就是因為沒有相似的結(jié)構(gòu)。

這時候，高超團(tuán)隊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”。這時候，石墨烯材料可以拉伸100%。

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繼續(xù)拉伸，石墨烯的“一片片”分子結(jié)構(gòu)之間就會出現(xiàn)裂紋。怎么辦？團(tuán)隊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材料上涂一層無機材料，以此來實現(xiàn)可拉伸。我們這套方法是改變了材料的本身特性。”

對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)用到與仿真機器人相關(guān)的導(dǎo)電彈性體上，比如電子皮膚等等。“更大的意義，我們希望開拓一個新的研究領(lǐng)域。當(dāng)大家都在研究氣凝膠的壓縮性能時，我們希望換一種思路，從拉伸這個方向開展研究。”

從一只雁到一群雁

高超團(tuán)隊與石墨烯的情緣已有十年之久。“石墨烯本身是一個‘很小’的材料。國際科研領(lǐng)域已經(jīng)對它的納米級結(jié)構(gòu)分析得非常透徹了，我們想看看，把它組裝起來變‘大’后會怎么樣。”10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研究。“秋天到了，一行大雁往南飛，一會排成一字形一會排成人字形。”當(dāng)一群大雁在飛行時，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候，我們很難看清楚它的結(jié)構(gòu)。

通過群效應(yīng)團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了氧化石墨烯的液晶現(xiàn)象。在一次實驗中，團(tuán)隊成員把氧化石墨烯倒進(jìn)一個杯子，偶然對著光一晃，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)到某個臨界值時，會自發(fā)進(jìn)行取向排列，不但可以流動還高度有序。

又有一次實驗，成員把兩條氧化石墨烯纖維放在一起，過了一會兒，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“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，“不是說做好一個工作就行，而是要不斷推進(jìn)”。在團(tuán)隊建設(shè)中，高超也非常強調(diào)“一流”，認(rèn)為要有一流的文化、一流的平臺、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)化為對社會有用的產(chǎn)品，讓科技發(fā)達(dá)起來，讓國家發(fā)達(dá)起來。”

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

科學(xué)也可以詩情畫意

對于石墨烯宏觀組裝研究，高超今年1月還專門寫了一首詩來解釋其中的奧妙。

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了，可以在很多領(lǐng)域派上用場。早些年，他還寫過另外一首詩來贊美石墨烯。

烯望

石陶銅鐵競風(fēng)流，

信息時代硅獨秀。

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這樣的瑣碎時間完成的。寫詩和駢文是高超業(yè)余的重要愛好。他認(rèn)為科學(xué)家也可以寫風(fēng)花雪月的詩句，但如果用詩的語言表達(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。

“習(xí)總書記曾說，科技創(chuàng)新、科學(xué)普及是實現(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。”

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。

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