【飞丝走线“织就”百万次超折叠导电材料】近年来,柔性电子尤其是可穿戴器件发展迅速,有望为人们的工作和生活带来翻天覆地的变化。然而,当它们在朝着便携、变形等方向进一步发展的过程中,遭遇了导电材料无法大量无损真折叠的瓶颈问题。

比如,目前热炒的可折叠手机实际上只是利用了一个旋转轴,根本无法进行任意折叠;一些可穿戴电子设备不可避免地要遇到反复折叠的问题,至今也无法解决。若要解决这些问题,超折叠导电材料无疑是关键的一环。

实际上,人们对导电材料的折叠已经进行了大量的探索,可距离超折叠性能仍相差甚远,哪怕千次以上的无损真折叠也无法实现。

近日,来自同济大学、上海师范大学以及大连理工大学的科研人员,在用化学键理论阐明本征导电材料不能经受大量真折叠原理的基础上,应用超材料设计思想和仿生设计思路,使用改进的静电纺丝/梯度碳化技术,首次仿生制备了一种可承受100万次乃至无限次真折叠而无任何损伤的超折叠导电碳材料(SFCMs)。相关研究成果在线发表于《物质》(Matter)。

【难啃的超折叠“骨头”】

在日常工作和生活中,人们常常存在一个认识误区,那就是认为导电材料的折叠根本不是事儿。

实则不然。比如,金属材料是由无方向性的金属键组成的,因而具有一定的柔韧性,可以进行弯曲甚至少量折叠。但金属键作为化学键的一种,也是短程力,经不住180°真折叠的大幅度的调度,多次折叠带来的损伤积累最终会导致断裂。

导电高分子是由共轭大∏键组成的,具有双键性质,并且比单键具有更多的刚性,经受不住大的变形,更不必说反复折叠了。

以单层石墨烯、单根碳纳米管和碳纳米纤维为代表的碳材料通常被认为具有很好的柔性,但实际上石墨烯是由sp2杂化的大的共轭Π键构成的超薄平面结构,其中共轭Π键具有双键性质,无法承受大量反复的真折叠;碳纳米管其实相当于卷曲的石墨烯,碳纳米纤维中含有大量的石墨化结构,自然经受不住反复的真折叠。

总之,目前的本征导电材料在理论上和实践上都不能承受大量次数的真折叠。如果要实现超折叠性能,需要设计出能够避免化学键直接面对折叠的应力分散结构。

为此,人们进行了大量的探索,通过引入不同的孔结构、调节组装单元间的界面作用、组装不同的立体结构,制备出如金属网格、瓦楞状石墨烯多层膜、竹节状的碳纳米纤维等柔性导电材料,因此它们的柔性得到了有效的提升。原本只能弯一弯的材料变得可以折叠,甚至有的材料在以结构损伤为代价的前提下可以实现千次的折叠。

遗憾的是,由于没有理论的指引,科研人员一直在黑暗中摸索,使得现有材料的折叠性能远远不能满足实际使用的要求,更谈不上超折叠。

山重水复疑无路,柳暗花明又一村。一次参观蚕厂的机会,让同济大学的科研人员倍受启发,走出了一条实现超折叠结构和性能的“仿生之路”。

【源于喷丝作茧的灵感】

人类养蚕抽丝已有数千年的历史,家蚕通过神奇的飞丝走线技艺喷丝作茧,为生产柔软的丝绸提供了优质的原材料。但是这种生蚕茧质地僵硬,不能直接制造纺织品。劳动人民在生产实践中发现,通过简单的碱煮缫丝就能同步实现蚕茧解交联、造孔和膨化等复杂变化,使之由僵硬变得超柔,能够承受大量反复折叠同时产生了ε折叠结构。

“家蚕吐丝—做茧—缫丝等一系列过程能够获得具有超折叠能力的熟蚕茧及其自然形成的‘ε’折叠结构。这些都为超折叠导电材料的制备提供了正确的设计思想与合理的设计路线。” 此项工作的通讯作者之一、同济大学化学科学与工程学院教授吴庆生告诉《中国科学报》。

如果能够对这个制备过程和最终结构进行模仿,那么超折叠的结构和性能有可能实现。基于这样的想法,吴庆生和同济大学特聘研究员吴彤领衔的研究团队使用仿生的高分子静电纺丝来模仿家蚕的喷丝作茧过程和类似的网络结构;进一步通过梯度升温原位碳化模仿缫丝过程,不仅同时实现了材料的解交联、造孔和膨化,而且赋予材料导电特性。最终,通过过程和功能的联合仿生技术,实现了导电超折叠材料的制备(见图)。

图2:制备超折叠碳材料的仿生设计

(同济大学供图)

随后,科研团队对该材料的柔性尤其是折叠性能进行了系统的研究。不仅通过自制的折叠机对它承受反复折叠的能力进行了考察,而且通过自主设计的SEM微观动态观察系统首次实现了折叠过程的实时解析。结果发现,它能够承受超过100万次的反复折叠而没有任何的微结构损伤和导电率变化。而实时折叠观察揭示了这种突破性的无损超折叠能力起源于折叠时形成的ε结构的全面应力分散作用。

这种导电柔性材料的问世,不仅实现了导电材料在超折叠性能上的突破,还弄清了其在折叠过程中的应力分散机制,为其他超折叠导电材料的制备指明了方向。与此同时,该项研究还将解决一系列折叠相关的柔性电子器件的瓶颈问题,乃至为任意变形的电脑/手机一体化超柔设备的制造带来曙光。

【创新永不止步】

研究结果的取得令人振奋,但过程中的个中滋味却只有亲历者才能体会。在研究过程中,研究人员也曾遇到很多困难,甚至一度冒出放弃的念头,但最终还是依靠坚强的意志和团队的力量,经过三年多的刻苦攻坚,终于取得了成功。

对于超折叠材料的实现而言,摆在科研团队面前的最大难题是至今无人知道什么样的构造可以实现超折叠。后来由于受到熟蚕茧能够超折叠并且产生ε结构的启发,明白了其中的构造奥秘,难题便迎刃而解。

如何实现这种构造的制备,是团队亟需解决的第二个难题。家蚕的喷丝作茧过程与常用的高分子静电纺丝工艺非常相似。但是现有的大量静电纺丝工作都没有实现超折叠的结果。“这说明生搬硬套老方法是完全行不通的,必须在传统的静电纺丝中闯出一条新路来。于是我们通过大量的仪器改造和技术优化探索,终于迎来了超折叠碳材料的诞生。”本研究第一作者、同济大学博士昝广涛告诉《中国科学报》。

在科学探索的道路上,创新永无止境。“下一步,我们将会把本工作建立的理论和方法拓展到更多更广的超折叠材料和设备中去。让可折叠手机等柔性电子设备变得收放自如,让可穿戴器件可以自身发电、自由活动、随意洗藏,让折纸式手机/电脑一体化早日实现。”吴庆生充满信心地表示。https://t.cn/A6MSZrLU

【这个派出所社区民警为百余名空巢老人建起健康档案】
重庆之声9月6日讯 “小韩你今天又来了呀,怎么还有医生啊?”上周五,重庆市九龙坡区杨渡一村的独居老人周婆婆打开家门,民警韩海生的造访不令她意外,这位重庆市公安局九龙坡区九龙派出所的“韩户籍”和社区们的老年人已经是老朋友了,几乎每周都会来跟叔叔阿姨们聊聊天,意外的是跟韩海生一起到来的,还有九龙坡区中医院的医护人员,派出所邀请医生上门为空巢老人进行义诊——韩海生一边熟悉血压计等医疗器械的使用方法,一边记录辖区空巢老人的健康状况,他要完成一本健康档案,专门针对辖区上百名空巢老人的档案。

新接手的社区,空巢老人超百名

2021年1月1日,因九龙坡区行政区划调整,杨渡路社区成为九龙派出所辖区。警区负责人韩海生之前在水碾社区工作,那个社区和九龙派出所其他辖区一样,建成较早,已经不太“入时”,被称为是主城核心区里的一片“飞地”。可水碾的老旧小区再多,也基本上是2000年左右开发的小区,杨渡路社区显然更有历史感。下社区的第一天,从派出所出发,刚走进九建支路,在老旧社区工作多年的“韩户籍”就吃了一惊,九建家属区的5栋老楼竟然全是上世纪80年代初期的建筑!老厂区的格局、具有年代感的楼梯间花窗、除了石桌石凳没有其他配套设施……这样的小区恐怕大多数“00后”都没见过。“说出来你可能不信,这已经是整个杨渡路社区最新的一片建筑了。”

谁住在这些地方?数据说话,居住在杨渡路社区的3600名实有人口中,超过三分之二年龄都在60岁以上,而70岁以上的空巢老人超过百名!

民警就是老人的“菜篮子”

子女不在身边、有的甚至还是独居,老人们住在这样的老旧小区方便吗?

当然会有各种具体的生活不便,比如九建老员工马爷爷和刘奶奶。在走访到马爷爷家时,韩海生和老两口相谈甚欢,“平时都和老邻居们一起玩,年轻人来了是有生气许多。”临走时,韩海生照例问了问他们,生活中有没有什么困难。刘奶奶想了很久,“我没有什么困难,唯一有一点希望,就是解决下吃饭的困难。”原来,马爷爷因为高血压、糖尿病等基础性疾病影响,视力极差,几乎看不见,基本上无法外出,刘奶奶身体倒还不错,但毕竟也是80岁的老人,上下五楼去一公里外的农贸市场买菜,长此以往也吃不消,何况刘奶奶去买菜时,也不放心马爷爷一个人在家。

韩海生一开始的想法,是让老人们到九建食堂打饭吃,老两口都是该公司老员工,这事情好协调。可吃了几天下来,老两口有点受不了,原来,50年前,马爷爷和刘奶奶因为支援三线建设来渝,他们本是华东沿海一带的人,口味比较清淡,上了年纪后更是吃不了重油盐、多辣椒的食物,食堂菜难以兼顾到他们的口味。

坚持每周探望空巢老人的韩海生第二个星期就了解到了这件事,看样子,还是得刘奶奶亲自下厨才行,他要帮忙解决的,是老人买菜的困难。从此开始,每到周中,韩海生就会给刘奶奶打电话,询问老两口有没有买菜的需要,需要哪些菜,他来社区时就在菜市场顺手买过来,“老年人食量不大,因此我买一次菜能吃好几天,老人的女儿只是不在这边住,有空也会过来,所以我这个‘买菜员’倒也不怎么累,从天气热起来到现在,也就是帮他们买了三五回菜,都是分内的小事情。”韩海生说道,得益于警务机制改革,九龙坡的社区民警每天的工作场景就是在社区里,在社区里解决群众的困难,自己只是举手之劳,可对于行动不便、无人照料的老人来说,却是实实在在的便民之举。

他给空巢老人建起健康档案

对于年轻人来说,这片老旧社区的生活或许并不方便,可在这里住了3、40年,老居民也舍不得搬走。马爷爷的女儿不止一次劝父母搬到自己的小区一起住,可劝过多少次,刘奶奶就拒绝过多少次,“在一个地方住久了,有感情了,身边都是几十年的好朋友,老年人在一起,最不缺说话的伴儿。”马大姐说,去年初因为疫情,老两口在自己家里住了几个月,可疫情稍有稳定,父母马上就搬回了九建家属区,“还是这里舒服。”韩海生对此也有体会,他是湖南人,父母来重庆看他总是待不久,“你们城里的高楼像鸟笼子一样,哪有老家住起舒服啊?”

也许是这种慢生活方式,老人们生活规律、心情也好,韩海生接手社区后倒也没听说过有什么突发的健康问题,“叔叔嬢嬢们确实身体硬朗,可谁不怕个万一啊?年龄摆在那里,哪怕就是在家里一点小磕碰,就是不得了的事情。”

韩海生在社区里做过一个测试,询问每一位老人,如果遇到突发疾病或者受伤,第一时间给谁打电话?得到的答案让他有点担心,打给子女或是打给民警几乎各占一半,记得给120打电话的微乎其微。“我不知道是不是因为我是警察,老人们才这么跟我说,但是在工作事件中,这样的情况不在少数。”去年还在水碾社区工作时,韩海生就接过一次警,一名老人在晒太阳时突然晕倒,到达现场后,民警用自己的急救知识让老人恢复了意识,建议“救护车来后到医院进一步检查”,可这时一旁报警求助的老邻居才说,当时情况紧急,只想到报警,没有通知医生。

这件事对韩海生触动很大,当时恰好通过自己掌握的知识把老人救了过来,可要是有更复杂的情况怎么办?韩海生想,既然群众信任民警,第一时间想到的是民警,那么民警就不能辜负这样的信任——7月起,他开始着手做一件事情。

住在杨渡一村的罗婆婆发现,这个常来看她的年轻人这次带来一个大本子,翻到写有罗婆婆名字的一页,韩海生已经将老人的基本信息填充得十分详细,这次上门入户,是要把罗婆婆的健康情况做一个摸底。“从是否有基础性疾病,患病好多年,到近期身体有无异常感受,急救时需要吃一些什么药品,这些我都要登记下来。”韩海生说,登记完成后,自己要制作成电子档案,存在手机里,一旦出现意外情况,自己接到群众报警后,可以第一时间做好准备,到了现场如何应对、给老人吃什么药,“即使是通过我们民警拨打120,也可以将信息告知医生,提高急救的针对性和效率。”

目前,韩海生的健康档案已经完成了60余份,还在加紧走访、不断完善中。说起来,100多份的工作量不算大,但他知道,一定要尽快搞好。“目前这个健康档案还没有派上用场,我们也希望它永远没有‘用武之地’。”派出所所长魏敏如是说:“我们可以设想一下,一旦这些空巢老人突然发病,子女不在身边,身旁也是老年人没办法处置,我们社区警务站的民警就是离他们最近的‘亲人’,如果因为不了解‘亲人’的身体状况而延误了治疗,那我们会有多后悔?”

重庆之声记者康桥

#在日本乡村生活是什么样的体验#
► “越后妻有”是日本的一块乡村土地,但在这里,你随处可见草间弥生、蔡国强等世界艺术大师的作品,它们点缀在自然各处;还有张永和、James Turrell、阿布拉莫维奇等建筑大师改造的各种奇特建筑,可供你入住体验。在这里走几步,随处都有超出想象的惊喜。
谈及这一奇特景观的形成,我们便要谈到世界最大的艺术节之一“越后妻有艺术三年展”,也称为“大地艺术节”。20多年前,越后妻有是在日本的现代化进程中被政治抛弃的闭塞之地,但是,当时在策展领域已享誉国际的北川弗兰(Fram Kitagawa)用艺术的方式,开启了一场精彩的地域革新。
从2000年开始至今,北川弗兰一共策划了6届“大地艺术节”,共有350多组艺术家和建筑师们参与,他们以越后妻有的土地为灵感,与村民和志愿者们一起完成各种艺术作品。现在,整个地区的活力变得超乎想象,当地人乐在其中,城市里的人也纷纷回到这里度过愉快的时光。
“这是一个与金钱无关的世界”,北川弗兰说,“要是这个环境这么恶劣的地方也能成为一个乌托邦的话,哪怕只有一瞬间,我都想把它一直这样做下去。”
越后妻有是个什么样的地方?
“穿过县界长长的隧道,就是雪国。”川端康成在小说《雪国》中开场描绘的便是越后妻有地区。越后妻有,位于日本本岛中北部,包括日本新泻县南部的十日町市和津南町在内的760 平方公里的土地,距离东京约两小时电车车程。
越后妻有地区地域广阔,跟东京差不多大,分布着大大小小200个村落,可以说是日本交通最闭塞的地方。群山环绕之间,四季风景千差万别,冬季会下几十米厚积雪,夏季当稻子由绿转黄的时候,便是艺术节开幕的时节。
明治维新时期,这里曾人口密集、繁华,后因现代化发展逐渐衰弱、被政治抛弃,年轻人也离开去往大城市。

融入在乡间自然中的作品
► 很多作品非常巧妙地融入在乡间、自然中。与在美术馆、画廊孤独地创作不同,在这里,艺术家的创作与当地、当景紧密联系着。创作时村民也会前来帮忙,在这些帮忙的瞬间,作品就不仅仅是艺术家一个人的东西,也成为当地村民的作品。
《为了许多失去了的窗户》,内海昭子,2006
《梯田》,Ilya&Emilia Kabakov,2000 (摄|安齋重男)
这件作品是对当地勤劳农耕的人们的称颂。
《稻米之乡》,张永和&非常建筑,2003(摄|倉谷拓朴)
《花开妻有》,草间弥生,2003(摄|中村脩)
作品寄寓了将这个地区及植物的活力延续下去的希望。
《颠倒城市》,Pascal Marthine Tayou,2009(摄|宫本武典+瀬野広美)
《妻有之家》,Leandro Erlich,2006
利用空屋、老房子改造的作品
► 也有许多利用无人居住的空屋、废弃的学校进行改造和创作的作品。其中已利用的废弃学校超过10所,空屋则超过40座。这些逐渐老坏的东西通过艺术家、建筑师之手,变得比新的东西更具魅力。
《梦之屋》,Marina Abramović,2000(摄|安齋重男)
梦之屋是第一个被改造的空屋,前南斯拉夫女艺术家阿布拉莫维奇把这间原本破旧不堪的空屋改造为名为“梦之屋”的旅馆,四间被改为卧室的屋子里备有供住客记录梦境的日记本。还给原本住在这里的老奶奶预留了房间,随时都可以回来居住。
《最后的教室》,Christian Boltanski & Jean Kalman,2006(摄|倉谷拓朴)
《再构筑》,行武治美,2006(摄|倉谷拓朴)
《绘本与木之实美术馆》,田岛前家钵,2003(摄|宫本武典+瀬野広美)
新建的建筑
► 除了改造空屋、老屋,也会有一些新的作品,它们都具有某种用途,而不仅仅是为了呈现一种艺术。比如James Turrell的光之馆,就是为供人住宿和使用而建造的。艺术家们致力于做能一直存续下去、具有生命力的作品。
《光之馆》,James Turrell,2000(摄|图一:安齋重男,图二:山田努)
《森的学校》,手塚貴晴+由比,2003(摄|安齋重男)
2015年第六届大地艺术节新作品
► 即将在今年7月底开幕的第六届大地艺术节,将有约380件新作品展出。
《蓬莱山》(草图),蔡国强,2015
《人生的虹》(草图),Ilya&Emilia Kabakov,2015
《泥石流的纪念碑》(效果图),磯辺行久,2015
《越后妻有计划》,Moshekwa Langa,2015
《十日町产业文化发信馆Ikote》(效果图),手塚貴晴+由比,2015
► 北川弗兰(Fram Kitagawa),1946年生于日本新泻县高田市(现上越市),毕业于东京艺术大学,是一位在当代艺术策展领域硕果累累、在国际享有盛名的公共艺术大师。其策划的重要展览包括奠定现时高迪风潮基础的《安东尼·高迪展》(1978-1979)、巡回日本全国77所中小学的《给孩子的版画展》(1980-1982)、共38万人参与、以反对种族隔离为主题的《向种族隔离说不!国际美术展》(1988-1990)等。北川致力于通过实践艺术与社会的结合,推动社区建设。曾荣获法国艺术文化骑士勋章,日本政府颁授的文化艺术交流奖,及澳大利亚名誉军官勋章等。现主要担任“越后妻有大地艺术节”及“濑户内国际艺术节”总监。


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