柔性材料“下一站”：更多功能 更强智能
- 来源：科技日报
- 2024-08-15
在日前举行的第二十六届中国科协年会上，由东华大学研究员门永军、副研究员周哲、副研究员朱丽萍等专家提出，中国化工学会推荐的“通过耦合与杂化实现柔性材料的功能涌现”入选中国科协发布的2024十大前沿科学问题。
“柔性材料正以其卓越的特性和广泛的应用前景，迅速成为研究焦点。”门永军说，“耦合与杂化不仅是实现材料功能化与智能化的关键技术，还是一个深刻的基础科学问题。我们需要从系统科学的视角出发，探索更具普适性的材料制备策略。”
柔性材料有独特优势
“我们说的柔性材料是一类具有高柔韧性和可伸缩性的功能材料，它们能够承受弯曲、扭曲、折叠或拉伸等形变而不产生破裂或性能下降等问题，还具有导电、催化或抗菌等功能。”门永军说。
对于“通过耦合与杂化实现柔性材料的功能涌现”这一科学问题，门永军介绍：“‘柔’说明材料能够改变其形态；‘功能’则是我们设计和制造材料的目标；‘功能涌现’是材料内部各组分间相互作用的结果。这些功能往往不是单个组分所具有的，而是各组分在相互作用的过程中表现出来的。”
近年来，功能化、智能化成为柔性材料研究的重点方向。“比如以传统纤维为基础，通过表面改性、杂化等方式赋予纤维抗菌或催化功能，进而应用在服装或新能源领域。”门永军说。
在生物医学领域，柔性材料可应用于生物传感器和可穿戴设备的制造。在电子信息领域，柔性材料可助力超薄、可弯曲显示屏的研发，从而进一步缩小电子设备的体积，提高设备的便携性。在储能领域，柔性材料为高效、轻型、薄型储能电池的研究提供了新的可能。
总体上，柔性材料弥补了传统刚性材料难以与褶皱衣物、人体皮肤等形状不规则物体贴合的局限，在人形机器人、智慧医疗等应用场景中显现出优势，也为未来电子技术的发展开辟了崭新视野。
耦合杂化是设计关键
“要想实现柔性材料在诸多场景的应用，就要解决材料设计的关键共性问题——柔性材料的多功能耦合与杂化。”门永军说。
把多种具有不同性质或结构的物质通过技术手段结合在一起，并在其内部构筑催化基元、吸波单元、计算元胞等功能性单元，有望获得原材料不具备的新性能，让柔性材料实现功能化与智能化。例如，采用聚合物纤维作为柔性基材，将具有催化作用的纳米材料引入纤维中，最终可以得到具有催化功能的柔性纤维材料。
然而，简单地将不同物质混合往往会存在界面问题，进而导致材料性能与功能下降。
“如何确保材料的各组成部分不是孤立存在，而是互相配合、协同合作？”门永军认为，柔性材料的制备难点在于让内部形成一个高效的耦合系统。在这个系统中，物质和能量能在组分间高效传递与转换。整个系统作为协调一致的整体，能对外部信号作出快速且精准的响应。
“耦合可以被视为一种关联机制，它确保了材料系统中各个组分间的有效连接和相互作用。杂化则是一种技术方法，能够让不同性质的组分融合在一起，从而创造出新的特性。”门永军介绍，从多组分材料的加工技术上来说，耦合与杂化极其重要。
“我们期望制造出的柔性材料能够展现出远超其各组成部分简单累加的性能，达到‘1+1＞2’的效果，柔性材料还要与外界系统进行有效的交互与协作，实现在不同层级上的功能涌现。”门永军说，这种性能提升，是材料自主适应环境变化、执行智能任务的基础。对于人形机器人、可穿戴设备、健康医疗、航空飞行器设计等领域的发展具有重要的意义。
当前耦合与杂化技术的策略方法还存在一定的局限。“不同材料间软硬匹配、不同材料耦合的信号传导、多组分材料间界面结合、材料整体设计缺乏对应理论……科学家已经关注到了这些问题，并正在寻找解决方案。”门永军说，解决这些问题需要从多个尺度系统思考，包括分子尺度柔性基元的设计、纳米尺度功能基元的精确构筑、微米尺度的相分离等。
“功能涌现”需系统谋划
“功能涌现是一个系统科学问题。”门永军认为，为实现功能涌现，可以从系统视角出发，提出通用策略，并形成新的研究范式。
就如同一架飞机由各种零部件按照特定方式组装在一起才具有各零部件所不具备的飞行功能一样。由不同性质的材料按特定方式集成而来的柔性材料作为一个整体，也具有各组成部分所不具备的新特性。要探索新特性从何而来，就要从更高层次理解结构和功能的问题。
“发展柔性材料设计的新方法，揭示材料耦合、杂化的新原理，扩展柔性材料的应用领域，都需要研究者以系统的视角来思考问题，提出面向全局的解决方案，并充分利用材料科学、化学、物理、系统科学等多学科的知识制定策略。”门永军说，跨学科的融合和创新，不仅推动了科学理论的发展，也为解决实际问题提供了新的视角和方法。基于此，研究人员可以更好地理解和设计柔性材料，使其实现功能化和智能化，从而推动材料科学与技术的进步。
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