导读

碳纳米管」作为一种神奇的新材料,如何才能更好应用于柔性电子领域呢?最近,科学家们在这方面进行了创新探索。

技术关键字

碳纳米管柔性电子智能皮肤智能织物


创新背景

上个世纪90年代初,碳纳米管」(CNT)就开始出现,且一直被誉为“神奇材料”,用于许多纳米技术领域。


(图片来源于:维基百科)


它的形状是微小的圆柱结构,由预先包装的石墨烯薄片组成,直径只有几纳米,是人类头发直径的千分之一。目前,单个碳纳米管比钢铁和碳纤维强度还要大,导电性比铜好,重量比铝更轻。

然而,一直以来的工业实践证明,它很难用于组成纤维和薄膜的材料。这些材料在厘米或者米的级别上,展示这些优秀的特性。挑战主要来源于:


因为CNT很小而且几何结构很难控制,所以集成和组装都十分困难。

创新探索

最近,美国伊利诺伊大学香槟分校的研究人员合成了一种超薄的碳纳米管纺织品,通过它折射出了远古时代大自然中的化合物结构,且具有高导电性以及铜薄膜高出50倍的韧性,目前应用于电子领域。


(图片来源于:伊利诺伊大学


这项研究的领导者是伊利诺伊大学机械科学和工程系的助理教授 Sameh
Tawfick
,研究团队成员还有
动能材料研究小组的前研究生、论文的领导作者 Yue Liang,以及David Sias 、Ping Ju Chen。


论文《由碳纳米管微管剪接而成的坚韧纳米结构的导电纺织品》”Tough
Nano-Architectured Conductive Textile Made by Capillary Splicing of
Carbon Nanotubes,”发表于《高级工程材料》杂志上。


核心技术


  • 断裂能研究


从研究人员的知识角度来看,这是他们首次对于CNT织物断裂能」的研究。


所以,Sameh
Tawfick 说:


“从我们的知识角度出发,这是首次采用断裂力学原理」的研究,旨在设计和研究纳米架构的CNT织物。断裂力学的理论架构对于一些列线性和非线性材料来说具有很强的鲁棒性。”


Yue Liang 评论说:


“对于CNT织物断裂能」的研究,领导我们设计出这些极端坚韧的薄膜。“

  • 合成方法


这些垂直排列的碳纳米管,始于氧化硅衬底上的催化剂沉积,通过化学气相沉积」的方法,以5微米宽、10微米长、20微米到60微米高的平行线形式进行合成。

这项工艺的灵感来源,很重要的部分是来自于大自然和远古时代的工艺。对此,我们也可以看出大自然能够孕育出创新,过去的古老工艺也会再次焕发出创新活力。


(图片来源于:伊利诺伊大学香槟分校


对此,Liang 说:


“这些交错的催化剂图案,受到砖块和灰浆的设计图形启发,而这些图形可在坚韧的自然材料例如骨头、珠母贝、玻璃海绵和竹子中寻见。为了寻找一些方法将CNT拼接在一起,我们受到古埃及5000年之前制造亚麻纺织品的拼接工艺启发,尝试了几种机械方法,包括微轧制和简单的机械压缩,同步重定向纳米管,然后,最终,我们使用自主的毛细作用力,将这些CNT拼接在一起。”

创新价值

对于研究的创新价值,我觉得Tawfick 的这一段评述比较经典:


“这项研究结合了细心的合成与精致的实验和建模。柔性电子设备受制于反复弯曲和拉伸,这将引起力学破坏。这种新型CNT织物,简单的柔性封装于弹性体模型中,能够用于智能织物,智能皮肤和一些列柔性电子应用。由于他们具有极高的韧性,所以是一种十分引人注目的材料,能够取代金属薄膜,提高设备的可靠性。”

应用价值

对于这项研究的应用价值,我们可以参考一下Sameh
Tawfick 的说法:


“超薄金属膜的结构鲁棒性,对于智能皮肤和包括生物与结构健康监测的传感器的可靠运行来说,具有十分重要的意义。对齐的碳纳米管薄片适用于一些列的跨越微观和宏观级的应用,包括微机电系统(MEMS)、超级电容、电线、人造肌肉和多功能复合材料。”

相关研究

之前,John 在《碳纳米管会成为可穿戴电子产品的首选制造材料吗?》一文中,对于碳纳米管材料是否适用于可穿戴电子产品,做过一些讨论和研究,也顺便介绍了碳纳米管的更多应用,大家可以参考一下。

参考资料


【1】http://engineering.illinois.edu/news/article/21750

【2】Yue Liang et al, Tough Nano-Architectured Conductive Textile Made by Capillary Splicing of Carbon Nanotubes , Advanced Engineering Materials (2017).  DOI: 10.1002/adem.201600845


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