魔性又Q弹的新材料

日期：2024-08-13 分类：新闻中心

在《科学》杂志上，出现了一只诡异的小“蠕虫”，它一边扭动前进，还一边闪着彩灯。

其实，这是康奈尔大学谢泼德（Shepherd）课题组展示的研究成果——一种柔软的发光新材料。

柔软、 Q弹，还能发光

柔性材料不光要“能屈能伸”，好还要有足够的延展性，被拉伸或揉捏时也不损坏，而且用在机器人身上的柔性材料还要能够完成一系列任务，比如说作为“人造皮肤”来感知外界的刺激，用发光来传递信息等等。

以往，我们已经有了一些柔性材料，比如可以让显示屏由直变弯的有机发光二极管（OLED），不过还是有一些不足之处。LED型材料的弹性和延展性还是很低，好的记录也只能延伸1.2倍。

柔性LED器件演示（图片来自wikipedia）

能不能做出一种更柔软、更有弹性、可拉伸又有功能的新材料呢？这一次，研究者们就设计出了一种特殊的“发光皮肤”材料，而上图中诡异的“发光蠕虫”，就是对这种新技术的演示。

这种材料十分Q弹，任人蹂躏也不会损坏，依然可以保持发光稳定。在外力的作用下，研究者们甚至可以把这些柔软的发光元件拉伸到原来长度的4.8倍，此时，它们还可以继续发光。

如果把一个个发光元件组合起来，它们还可以组成发光阵列，并且依然表现优异。通过电路的控制，可以很容易地调控发光点阵显示的图样，而且在研究者们的一番揉捏、拉伸、折叠之下，光点依然稳如泰山。

凝胶树脂“三明治”

这些软软的发光元件是怎么做出来的？它其实是用多层材料叠加而成的“三明治”结构，由硅树脂、聚丙烯酰胺-氯化锂水凝胶和硫化锌硅树脂等组成。

硅树脂、聚丙烯酰胺-氯化锂水凝胶和硫化锌硅树脂（发光的核心结构）形成的三明治结构（图片来自原论文）

硅树脂是一种兼具延展性和透明性的绝缘材料，而掺入硫化锌还能使它变成发光元件，在交流电场的作用下发出荧光。而聚丙烯酰胺-氯化锂水凝胶会构成导电夹层，为施加电压留下了通路。通过对发光成分的调整，还能得到不同的发光颜色：掺入质量分数为0.01％的铜，可以显出绿色；掺入0.1％的铜，则显现为蓝色；而如果掺入1％的锰，就会显现出黄色。

越戳光越亮

除了Q弹和发光，这种三明治夹层还有一个特别之处：可以响应外界压力，并从不同强度的光反映出来。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，发光也就会变得越强。

戳一下，材料不仅有优异的延展性，还变得更亮了（图片来自原论文）

这是由于，在材料伸展时会整体变薄，电容层中的间距会变小。保持电压不变的情况下，会使电场增强，所以场致发光也会增强。虽然发光夹层的延展会使得其中硫化锌的密度变低，不过这个影响比较小，因此随着发光夹层的延展，亮度会随之提高。

把这些特性综合起来，就得到了开头我们看到的那只魔性的“蠕虫”。研究团队从上至下依次将4层发光夹层材料和两层气动夹层组合在一起，就得到了这条七彩炫光小蠕虫。通过气动夹层的充气放气，小虫子蠕动前进，它身上的光亮也随着充气程度的变化明暗闪烁。

在目前的研究阶段，该材料还存在发光亮度不够高、使用电压较大等不足。不过相信随着技术的改进，这只Q弹的硅树脂“小虫”还能在更多领域得到应用。说不定，它将来就会成为机器人们身上的“皮肤”呢。

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