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东华大学研制出可穿戴,全世界最纤薄的折纸

日期:2019-12-22编辑作者:澳门新葡8455手机版

三十年后,来自纽约州伊萨卡(Ithaca)康奈尔大学的研究人员们更上层楼,“折”出了红血球大小的折“纸”作品。

王宏志表示,这类轻质并且具有柔性的二维材料,对微弱的环境变化也非常敏感,由此可以编辑其形态,受控产生形态改变,这使得它们存在多种应用可能性。如在服装领域,可用于变形衣设计制作,实现服装在腕部、肘部等特定部位的收缩及展开; 在军事领域,可以帮助解决士兵外骨骼系统机械部件自重过重的问题。此外,在微机器人、太阳能电池板等领域的应用前景也值得期待。

更复杂的自折叠,更广阔的应用

为了让石墨烯自己折叠,米斯金和他的同事在石墨烯上面附着了一层硅。硅是海边白色沙滩的主要成分。这种附着着硅的石墨烯薄片只有几原子的厚度,当它沉入水中的时候会展平。

图片 1显微镜下的石英沙子,主要成分为二氧化硅。图源:cicinnus.com

加了酸之后,硅受酸分子挤压,会试图收缩,但是石墨烯很硬,会阻止硅分子弯曲。这时如果在石墨烯上划出一道裂缝,硅就可以像门上的合页一样工作,就像是在折叠一张纸。于是就变成了一种会在酸性环境中折叠起来,在碱性环境中展平开来的新材料

康奈尔的团队在很多地方都展示过这种材料。不同的“剪纸”花纹就能让这种石墨烯-硅材料折叠出不同的3D形状。“给我们任意一个能单向折叠出来的形状,我们都可以造出来一个迷你版。” 康奈尔的研究生巴里斯·布里坎( Baris Bircan)说。

图片 2也许以后,这些折纸小企鹅会在人体内工作。图源:folders.jp

碳原子形成的3D形状可能对制造微小电子器件也非常有用,因为石墨可以导电。

想象一个折叠而成的立方体,它的每一面都可以安装不同的元件——一面装上微型CPU,一面装上传感器。所有这些器件全部通过石墨烯表面的电流相互联通。

想象一下,这样的一个微型器械,可以注射进我们的身体,在设计地点自动展开,释放出搭载的设备器材,与我们的细胞协同工作…… 米斯金的团队已经更进一步,成功的把能够印刷电路的塑料基板贴在了碳硅折叠结构上。不过,离真正实现这样的机器人,还有很长的路要走。

图片 3麻省理工学院研究的一款自折叠机器人,在加热时自折叠,并带有一块磁铁,通过磁场进行行走。图源:youtube.com Massachusetts Institute of Technology

研究人员还想构造出更复杂的形状,但是他们的碳硅层只能单向折叠,这就限制了折叠能够达到的复杂程度。为了寻求更加灵活的材料,布里坎在实验一种经常用于镜片涂层的材料,二氧化铪。

类似硅,二氧化铪也可以折叠;但与硅不同,二氧化铪是在碱性环境里面折叠。把二氧化铪与硅“贴”在一起,这样的复合材料就可以在酸性溶液中向一个方向折叠,在碱性环境中向另一个方向折叠。

显然,对于想制造一个超迷你起重机的研究员们来说,可以向两个方向转动的合页,至关重要。

图片 4努力爬行的氧化石墨烯纸片……看起来竟然有点萌萌的。图片来源:www.sciencemag.org

中国科学家同样在此领域进行了研究探索,以上图片是东华大学纤维材料改性国家重点实验室的成果,在温度或光的控制下,这种微米厚的氧化石墨烯纸可以爬行、折叠甚至抓取物品。(编辑:明天,题图来自123RF)

本文由美国物理联合会 张铮铮供稿

智能折纸受国外同行关注

(编译/莘莘)三十年前,一位日本教授,一架显微镜,一根缝衣针,折出了比大头针针尖还小的纸鹤。

A图:一只石墨烯纸制作的人工手在光源明灭中抓取了小物件。

把折纸缩小再缩小

虽然继承了传统折纸的形式,但这个新作品并不是真的用纸做的,而是用仅有几个原子厚的玻璃和碳薄片,自行折叠形成的。是的,它太小巧了,根本无法用人手操作,只能靠自己折叠自己。

图片 5石墨烯是由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型蜂巢晶格状的平面薄膜,是只有一个碳原子厚度的二维材料。图源:wikipedia.org

图片 6电子显微镜下的石墨烯薄片。图源:wikipedia.org

“这是世界上最薄的折‘纸’作品,它的大小可以跟微生物组织相提并论。”康奈尔大学伊萨·科恩(Itai Cohen)应用物理实验室的博士后马克·米斯金(Marc Miskin)说。3月14日,他在美国物理协会于新奥尔良举办的会议上介绍了自己最新研究做出的“折纸”作品。

这种微折叠结构具有像立方体或者金字塔这样的简单形状,不像纸鹤那么优雅和复杂。但是它们可以再进一步,组合成微型机械,把自己折叠成一个个足够小的包裹,通过注射直接进入人体内部。

图片 7伊萨·科恩讲解纸模型的结构和力学特点。图源:

“这个方法的应用前景非常可观,可以用来将机器人送入人体内完成任务。”来自位于波士顿的东北大学的工程师塞缪尔·费尔顿(Samuel Felton)对此很乐观,虽然,塞缪尔并没有参与这项新的研究,他研究的,是制造正常大小的折叠机器人。

石墨烯折纸变形的灵感来源于中国古老的折纸艺术。东华大学材料学院先进功能材料研究团队王宏志、侯成义、穆九柯等介绍,他们利用简便的抽滤方法,将氧化石墨烯、PDA-氧化石墨烯的纳米片组装成只有微米厚度的石墨烯纸,在温度或光源的控制下,通过纳米层之间的水分子吸附与脱附,这张石墨烯纸就能在3秒之内,迅速折叠成预设的形状,如此反复就按一定方向贴地爬行。

剪纸艺术同样带来了灵感

自折叠“折纸”并不是康奈尔首次从日本艺术中汲取灵感。在这个新项目中与米斯金一起共事的鲍尔·迈克约恩(Paul McEuen)——一位专攻“一切微小的东西”的科学家——就一直在研究剪纸艺术。

图片 8里面的菱形竟然在旋转?!图源:youtube

剪纸既包括剪纸也包括折纸。运用了剪纸工艺的贺卡可以在打开时呈现出精美的图样。迈克约恩的实验室还找到了如何在石墨烯(单层碳原子)上裁剪简单图样的方法。当受到拉伸的时候,人工剪开的石墨烯可以像手风琴的风箱那样,拉出弹簧一样的结构。

图片 9石墨烯像手风琴一样被拉开了。图源:www.grapheneentrepreneur.com

图片 10

一张纸,浸上水,会胀开;晒干了,会缩水若这一过程在几秒之间快进完成,那么纸巾就收放自如。记者昨天从东华大学纤维材料改性国家重点实验室获悉,诺奖材料石墨烯薄片在光热刺激下,竟像毛毛虫一样自主行走与转向,而用同样材料制成的小手可以抓取物体。

从折纸艺术获得灵感对材料进行设计,是当前非常热门的领域。美国康奈尔大学物理学家I科恩在《自然》报道中评述说,这项工作对设计单原子层面的折叠非常重要,如果研究者成功达到这个目的,他们将能用制造二维材料时已有的基础和经验,获得多种能够弹起变成三维材料的二维材料。

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