浙大攻克世界難題：讓無(wú)機材料有彈性 可用于航空等領(lǐng)域
來(lái)源: 永康市中翼工貿有限公司發(fā)表時(shí)間：2018-04-04
在80后90后的童年記憶中，有一個(gè)著(zhù)名的歷史故事，司馬光砸缸。當陶土做的水缸被石塊砸了一下，就破了一個(gè)洞，水流出來(lái)了，掉在缸里的孩子也得救了。
而對于女孩子來(lái)說(shuō)，跳皮筋是洋溢著(zhù)歡快笑聲的集體游戲，在牛皮筋的一勾一拉中，旋轉，跳躍，不停歇。
這兩個(gè)童年記憶，其實(shí)包含著(zhù)一個(gè)自然界的普遍規律，玻璃、陶瓷這樣的無(wú)機材料通常都是又脆又硬的，沒(méi)有什么彈性，而橡膠這類(lèi)的有機材料韌性好，彈性足，可以反復拉伸。
如何讓無(wú)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。
這其中就有浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系的高超教授團隊。最近，他們的研究取得了突破性進(jìn)展，設計制備出了高度可拉伸的全碳氣凝膠彈性體，并且表現出優(yōu)異的性能，今后有望應用在柔性器件、智能機器人及航空航天等多個(gè)領(lǐng)域。
論文發(fā)表在國際著(zhù)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(lèi)文明密切相關(guān)?，F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(wú)機材料耐高低溫但沒(méi)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(wú)機材料，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)現新性能，尋找新用途?！?
研究團隊在研制這一新材料時(shí)，聚焦的無(wú)機物材料為碳。因為碳所特有的導電性能，為未來(lái)應用提供了更多可能性。他們發(fā)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(xiàn)團，有很多纏結的地方可以被拉開(kāi)，當外力去除，這些高分子的“棉線(xiàn)”又重新纏結變成線(xiàn)團。無(wú)機物之所以不能拉長(cháng)再回彈，就是因為沒(méi)有相似的結構。
這時(shí)候，高超團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(xiàn)團結構”拓展成為石墨烯中可拉伸的“紙團結構”，來(lái)提高石墨烯的延展性。
團隊借鑒生物學(xué)理念，從肌肉和關(guān)節的拉伸中尋找答案，設計出類(lèi)似傳統拉縮式燈籠的結構，并用3D技術(shù)打印出來(lái)，通過(guò)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%。
繼續拉伸，石墨烯的“一片片”分子結構之間就會(huì )出現裂紋。怎么辦？團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(lái)，石墨烯就可以拉伸200%了。
高超教授說(shuō)，這種全碳氣凝膠彈性體具有優(yōu)異的抗疲勞性能，在拉伸200%的狀態(tài)下，可穩定循環(huán)至少100圈；在100Hz、1%應變的狀態(tài)下，可穩定循環(huán)至少百萬(wàn)次?！爸耙恍┭芯渴窃谟袡C材料上涂一層無(wú)機材料，以此來(lái)實(shí)現可拉伸。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(lái)發(fā)展前景，高超教授表示，可以應用到與仿真機器人相關(guān)的導電彈性體上，比如電子皮膚等等?！案蟮囊饬x，我們希望開(kāi)拓一個(gè)新的研究領(lǐng)域。當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(kāi)展研究?！?
從一只雁到一群雁
高超團隊與石墨烯的情緣已有十年之久?！笆┍旧硎且粋€(gè)‘很小’的材料。國際科研領(lǐng)域已經(jīng)對它的納米級結構分析得非常透徹了，我們想看看，把它組裝起來(lái)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(guān)組裝。
他用一首兒歌來(lái)解釋這項研究?！扒锾斓搅?，一行大雁往南飛，一會(huì )排成一字形一會(huì )排成人字形?！碑斠蝗捍笱阍陲w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構。
通過(guò)群效應團隊發(fā)現了氧化石墨烯的液晶現象。在一次實(shí)驗中，團隊成員把氧化石墨烯倒進(jìn)一個(gè)杯子，偶然對著(zhù)光一晃，發(fā)現杯中出現了彩色帶。這是什么原因呢？團隊順藤摸瓜，發(fā)現氧化石墨烯在溶液中的濃度達到某個(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，成員把兩條氧化石墨烯纖維放在一起，過(guò)了一會(huì )兒，這兩條纖維居然“焊”在一起了。原來(lái)氧化石墨烯有一種“自融合”的本領(lǐng)。
從這兩大發(fā)現出發(fā)，團隊“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(wú)紡布，科研成果發(fā)表在《自然通訊》和《先進(jìn)材料》等國際著(zhù)名期刊上。
高超說(shuō)，一流是要不斷奮斗出來(lái)的，“不是說(shuō)做好一個(gè)工作就行，而是要不斷推進(jìn)”。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(chǎn)出一流的成果。他經(jīng)常跟學(xué)生說(shuō)：“科研首先要發(fā)奮，拼搏了才能有所發(fā)現，有所發(fā)明。還要努力讓科研成果轉化為對社會(huì )有用的產(chǎn)品，讓科技發(fā)達起來(lái)，讓國家發(fā)達起來(lái)?！?
從最初的幾個(gè)人，到現在的幾十人，高超團隊也從“一只大雁”發(fā)展到了“一群大雁”。對于過(guò)去沒(méi)錢(qián)買(mǎi)研究設備的窘?jīng)r記憶猶新，對于未來(lái)，高超說(shuō)，他會(huì )堅持在首創(chuàng )、極致和影響力三個(gè)層面上繼續努力。
科學(xué)也可以詩(shī)情畫(huà)意
對于石墨烯宏觀(guān)組裝研究，高超今年1月還專(zhuān)門(mén)寫(xiě)了一首詩(shī)來(lái)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，
組裝修復變烯神。
高超說(shuō)，這首詩(shī)的大意就是，氧化石墨烯通過(guò)插層、氧化、水洗、超聲等過(guò)程制得，盡管缺陷很多，但可以通過(guò)組裝及結構修復形成有重要應用價(jià)值的石墨烯宏觀(guān)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(chǎng)。早些年，他還寫(xiě)過(guò)另外一首詩(shī)來(lái)贊美石墨烯。
烯望
石陶銅鐵競風(fēng)流，
信息時(shí)代硅獨秀。
量子紀元孰占優(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(chē)乘飛機這樣的瑣碎時(shí)間完成的。寫(xiě)詩(shī)和駢文是高超業(yè)余的重要愛(ài)好。他認為科學(xué)家也可以寫(xiě)風(fēng)花雪月的詩(shī)句，但如果用詩(shī)的語(yǔ)言表達科學(xué)，更有利于傳播科學(xué)，也更能發(fā)揮科學(xué)家的特長(cháng)。
“習總書(shū)記曾說(shuō)，科技創(chuàng )新、科學(xué)普及是實(shí)現創(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(jué)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。
（原標題《突破性進(jìn)展！這一浙大團隊打破物質(zhì)的本性，讓又脆又硬的無(wú)機材料變得“彈彈彈”！》，原作者吳雅蘭、柯溢能。編輯樊成友 ）