浙江大學高超團隊研發出高度可拉伸全碳氣凝膠彈性體

自然界似乎存在著一個普遍規律,玻璃、陶瓷這樣的無機材料通常都是又脆又硬的,沒有什麼彈性,而橡膠這類的有機材料韌性好,彈性足,可以反復拉伸。

如何讓無機材料變得像有機材料那樣可以回彈,是世界很多科學傢的努力目標。

這其中就有浙江大學高分子科學與工程學系的高超教授團隊。最近,他們的研究取得瞭突破性進展,設計制備出瞭高度可拉伸的全碳氣凝膠彈性體,並且表現出優異的性能,今後有望應用在柔性器件、智能機器人及航空航天等多個領域。論文發表在國際著名期刊《自然通訊》,共同第一作者為博士生郭凡、薑炎秋,通訊作者為許震特聘研究員、高超教授。

浙江大學高超團隊研發出高度可拉伸全碳氣凝膠彈性體

材料科學的發展一直與人類文明密切相關。現如今我們已經擁有瞭各種各樣的材料。可是讓科學傢煩惱的是,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。我們做科學研究就是要打破物質的本性,這樣才能發現新性能,尋找新用途。”

研究團隊在研制這一新材料時,聚焦的無機物材料為碳。因為碳所特有的導電性能,為未來應用提供瞭更多可能性。他們發現,高分子彈性體,比如橡膠,分子是鏈狀結構,就像柔軟的棉線團,有很多纏結的地方可以被拉開,當外力去除,這些高分子的“棉線”又重新纏結變成線團。無機物之所以不能拉長再回彈,就是因為沒有相似的結構。

這時候,高超團隊搬出瞭他們的研究老夥伴,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“線團結構”拓展成為石墨烯中可拉伸的“紙團結構”,來提高石墨烯的延展性。

團隊借鑒生物學理念,從肌肉和關節的拉伸中尋找答案,設計出類似傳統拉縮式燈籠的結構,並用3D技術打印出來,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%。

繼續拉伸,石墨烯的“一片片”分子結構之間就會出現裂紋。怎麼辦?團隊引入瞭另外一種納米材料——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%瞭。

高超教授說,這種全碳氣凝膠彈性體具有優異的抗疲勞性能,在拉伸200%的狀態下,可穩定循環至少100圈;在100Hz、1%應變的狀態下,可穩定循環至少百萬次。“之前一些研究是在有機材料上塗一層無機材料,以此來實現可拉伸。我們這套方法是改變瞭材料的本身特性。”

對於這一新型材料的未來發展前景,高超教授表示,可以應用到與仿真機器人相關的導電彈性體上,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域。當大傢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。”

浙江大學高超團隊研發出高度可拉伸全碳氣凝膠彈性體

高超團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。國際科研領域已經對它的納米級結構分析得非常透徹瞭,我們想看看,把它組裝起來變‘大’後會怎麼樣。”10年前的2008年,高超被引進加入浙大高分子系後,為自己定瞭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。“秋天到瞭,一行大雁往南飛,一會排成一字形一會排成人字形。”當一群大雁在飛行時,我們一眼就能看出雁群的形狀,反倒是一隻大雁在空中飛的時候,我們很難看清楚它的結構。

通過群效應團隊發現瞭氧化石墨烯的液晶現象。在一次實驗中,團隊成員把氧化石墨烯倒進一個杯子,偶然對著光一晃,發現杯中出現瞭彩色帶。這是什麼原因呢?團隊順藤摸瓜,發現氧化石墨烯在溶液中的濃度達到某個臨界值時,會自發進行取向排列,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,過瞭一會兒,這兩條纖維居然“焊”在一起瞭。原來氧化石墨烯有一種“自融合”的本領。

從這兩大發現出發,團隊“倒騰”出瞭四大發明:石墨烯纖維、石墨烯組裝膜、石墨烯泡沫、石墨烯無紡佈,科研成果發表在《自然通訊》和《先進材料》等國際著名期刊上。

高超說,一流是要不斷奮鬥出來的,“不是說做好一個工作就行,而是要不斷推進”。在團隊建設中,高超也非常強調“一流”,認為要有一流的文化、一流的平臺、一流的待遇,最終產出一流的成果。他經常跟學生說:“科研首先要發奮,拼搏瞭才能有所發現,有所發明。還要努力讓科研成果轉化為對社會有用的產品,讓科技發達起來,讓國傢發達起來。”

從最初的幾個人,到現在的幾十人,高超團隊也從“一隻大雁”發展到瞭“一群大雁”。對於過去沒錢買研究設備的窘況記憶猶新,對於未來,高超說,他會堅持在首創、極致和影響力三個層面上繼續努力。

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