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浙大团队打破物质本性 让又脆又硬的无机材料变得“弹弹弹”!

http://www.textile.hc360.com2018年04月08日11:08 来源:浙江大学求是新闻网T|T

一般情况下,像玻璃陶瓷这样的无机材料都是又脆又硬的,没有什么弹性;而橡胶这类的有机材料韧性好、弹性足,可以反复拉伸。如何让无机材料变得像有机材料那样可以回弹,是世界很多科学家的努力目标。

这其中就有浙江大学高分子科学与工程学系的高超教授团队。最近,他们的研究取得了突破性进展,设计制备出了高度可拉伸的全碳气凝胶弹性体,并且表现出优异的性能,今后有望应用在柔性器件、智能机器人及航空航天等多个领域。



材料科学的发展一直与人类文明密切相关。现如今我们已经拥有了各种各样的材料。可是让科学家烦恼的是,无机材料耐高低温但没有弹性,有机材料有弹性却又不耐高低温。如果能研究出一种无机材料,在保持耐高低温的同时具备一定的弹性,将进一步扩大材料的性能和用途。

研究团队在研制这一新材料时,聚焦的无机物材料为碳。因为碳所特有的导电性能,为未来应用提供了更多可能性。他们发现,高分子弹性体,比如橡胶,分子是链状结构,就像柔软的棉线团,有很多缠结的地方可以被拉开,当外力去除,这些高分子的“棉线”又重新缠结变成线团。无机物之所以不能拉长再回弹,就是因为没有相似的结构。

基于此,高超团队通过在“一片片”的石墨烯中制造出一些褶皱,将高分子的可拉伸“线团结构”拓展成为石墨烯中可拉伸的“纸团结构”,来提高石墨烯的延展性。团队借鉴生物学理念,从肌肉和关节的拉伸中寻找答案,设计出类似传统拉缩式灯笼的结构,并用3D技术打印出来,通过限位压缩定形,形成一些“褶皱”。这时候,石墨烯材料可以拉伸100%。



为了解决继续拉伸,石墨烯的“一片片”分子结构之间就会出现裂纹的情况,该团队引入了另外一种纳米材料——碳纳米管,在石墨烯的片层之间打上“补丁”。这样一来,石墨烯就可以拉伸200%了。

团队负责人高超教授表示,这种全碳气凝胶弹性体具有优异的抗疲劳性能,在拉伸200%的状态下,可稳定循环至少100次;在100Hz、1%应变的状态下,可稳定循环至少百万次。“之前一些研究是在有机材料上涂一层无机材料,以此来实现可拉伸。我们这套方法是改变了材料的本身特性。”



对于这一新型材料的未来发展前景,高超教授表示,可以应用到与仿真机器人相关的导电弹性体上,比如电子皮肤等等。“更大的意义,我们希望开拓一个新的研究领域。当大家都在研究气凝胶的压缩性能时,我们希望换一种思路,从拉伸这个方向开展研究。”

责任编辑:许月华

Tel:010-61723967

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