魔性又Q彈的新材料

日期：2024-08-13 分類：新聞中心

在《科學(xué)》雜志上，出現(xiàn)了一只詭異的小“蠕蟲”，它一邊扭動前進(jìn)，還一邊閃著彩燈。

其實，這是康奈爾大學(xué)謝潑德（Shepherd）課題組展示的研究成果——一種柔軟的發(fā)光新材料。

柔軟、 Q彈，還能發(fā)光

柔性材料不光要“能屈能伸”，好還要有足夠的延展性，被拉伸或揉捏時也不損壞，而且用在機(jī)器人身上的柔性材料還要能夠完成一系列任務(wù)，比如說作為“人造皮膚”來感知外界的刺激，用發(fā)光來傳遞信息等等。

以往，我們已經(jīng)有了一些柔性材料，比如可以讓顯示屏由直變彎的有機(jī)發(fā)光二極管（OLED），不過還是有一些不足之處。LED型材料的彈性和延展性還是很低，好的記錄也只能延伸1.2倍。

柔性LED器件演示（圖片來自wikipedia）

能不能做出一種更柔軟、更有彈性、可拉伸又有功能的新材料呢？這一次，研究者們就設(shè)計出了一種特殊的“發(fā)光皮膚”材料，而上圖中詭異的“發(fā)光蠕蟲”，就是對這種新技術(shù)的演示。

這種材料十分Q彈，任人蹂躪也不會損壞，依然可以保持發(fā)光穩(wěn)定。在外力的作用下，研究者們甚至可以把這些柔軟的發(fā)光元件拉伸到原來長度的4.8倍，此時，它們還可以繼續(xù)發(fā)光。

如果把一個個發(fā)光元件組合起來，它們還可以組成發(fā)光陣列，并且依然表現(xiàn)優(yōu)異。通過電路的控制，可以很容易地調(diào)控發(fā)光點陣顯示的圖樣，而且在研究者們的一番揉捏、拉伸、折疊之下，光點依然穩(wěn)如泰山。

凝膠樹脂“三明治”

這些軟軟的發(fā)光元件是怎么做出來的？它其實是用多層材料疊加而成的“三明治”結(jié)構(gòu)，由硅樹脂、聚丙烯酰胺-氯化鋰水凝膠和硫化鋅硅樹脂等組成。

硅樹脂、聚丙烯酰胺-氯化鋰水凝膠和硫化鋅硅樹脂（發(fā)光的核心結(jié)構(gòu)）形成的三明治結(jié)構(gòu)（圖片來自原論文）

硅樹脂是一種兼具延展性和透明性的絕緣材料，而摻入硫化鋅還能使它變成發(fā)光元件，在交流電場的作用下發(fā)出熒光。而聚丙烯酰胺-氯化鋰水凝膠會構(gòu)成導(dǎo)電夾層，為施加電壓留下了通路。通過對發(fā)光成分的調(diào)整，還能得到不同的發(fā)光顏色：摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01％的銅，可以顯出綠色；摻入0.1％的銅，則顯現(xiàn)為藍(lán)色；而如果摻入1％的錳，就會顯現(xiàn)出黃色。

越戳光越亮

除了Q彈和發(fā)光，這種三明治夾層還有一個特別之處：可以響應(yīng)外界壓力，并從不同強度的光反映出來。如果用手指戳一下柔性材料，戳得越用力，局部的拉伸程度越大，發(fā)光也就會變得越強。

戳一下，材料不僅有優(yōu)異的延展性，還變得更亮了（圖片來自原論文）

這是由于，在材料伸展時會整體變薄，電容層中的間距會變小。保持電壓不變的情況下，會使電場增強，所以場致發(fā)光也會增強。雖然發(fā)光夾層的延展會使得其中硫化鋅的密度變低，不過這個影響比較小，因此隨著發(fā)光夾層的延展，亮度會隨之提高。

把這些特性綜合起來，就得到了開頭我們看到的那只魔性的“蠕蟲”。研究團(tuán)隊從上至下依次將4層發(fā)光夾層材料和兩層氣動夾層組合在一起，就得到了這條七彩炫光小蠕蟲。通過氣動夾層的充氣放氣，小蟲子蠕動前進(jìn)，它身上的光亮也隨著充氣程度的變化明暗閃爍。

在目前的研究階段，該材料還存在發(fā)光亮度不夠高、使用電壓較大等不足。不過相信隨著技術(shù)的改進(jìn)，這只Q彈的硅樹脂“小蟲”還能在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用。說不定，它將來就會成為機(jī)器人們身上的“皮膚”呢。

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魔性又Q彈的新材料

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