神奇材料？新超薄碳納米管織物促進柔性電子發展！

導讀

「碳納米管」作為一種神奇的新材料，如何才能更好應用於柔性電子領域呢？最近，科學家們在這方面進行了創新探索。

技術關鍵字

碳納米管、柔性電子、智能皮膚、智能織物

創新背景

上個世紀90年代初，「碳納米管」（CNT）就開始出現，且一直被譽為「神奇材料」，用於許多納米技術領域。

（圖片來源於：維基百科）

它的形狀是微小的圓柱結構，由預先包裝的石墨烯薄片組成，直徑只有幾納米，是人類頭髮直徑的千分之一。目前，單個碳納米管比鋼鐵和碳纖維強度還要大，導電性比銅好，重量比鋁更輕。

然而，一直以來的工業實踐證明，它很難用於組成「纖維和薄膜」的材料。這些材料在厘米或者米的級別上，展示這些優秀的特性。挑戰主要來源於：

因為CNT很小而且幾何結構很難控制，所以集成和組裝都十分困難。

創新探索

最近，美國伊利諾伊大學香檳分校的研究人員合成了一種超薄的碳納米管紡織品，通過它折射出了遠古時代大自然中的化合物結構，且具有高導電性以及銅薄膜高出50倍的韌性，目前應用於電子領域。

（圖片來源於：伊利諾伊大學）

這項研究的領導者是伊利諾伊大學機械科學和工程系的助理教授 Sameh Tawfick，研究團隊成員還有動能材料研究小組的前研究生、論文的領導作者 Yue Liang，以及David Sias 、Ping Ju Chen。

論文《由碳納米管微管剪接而成的堅韌納米結構的導電紡織品》"Tough Nano-Architectured Conductive Textile Made by Capillary Splicing of Carbon Nanotubes,"發表於《高級工程材料》雜誌上。

核心技術

斷裂能研究

從研究人員的知識角度來看，這是他們首次對於CNT織物「斷裂能」的研究。

所以，Sameh Tawfick 說：

「從我們的知識角度出發，這是首次採用「斷裂力學原理」的研究，旨在設計和研究納米架構的CNT織物。斷裂力學的理論架構對於一些列線性和非線性材料來說具有很強的魯棒性。」

Yue Liang 評論說：

「對於CNT織物「斷裂能」的研究，領導我們設計出這些極端堅韌的薄膜。「

合成方法

這些垂直排列的碳納米管，始於氧化硅襯底上的催化劑沉積，通過「化學氣相沉積」的方法，以5微米寬、10微米長、20微米到60微米高的平行線形式進行合成。

這項工藝的靈感來源，很重要的部分是來自於大自然和遠古時代的工藝。對此，我們也可以看出大自然能夠孕育出創新，過去的古老工藝也會再次煥發出創新活力。

（圖片來源於：伊利諾伊大學香檳分校）

對此，Liang 說：

「這些交錯的催化劑圖案，受到磚塊和灰漿的設計圖形啟發，而這些圖形可在堅韌的自然材料例如骨頭、珠母貝、玻璃海綿和竹子中尋見。為了尋找一些方法將CNT拼接在一起，我們受到古埃及5000年之前製造亞麻紡織品的拼接工藝啟發，嘗試了幾種機械方法，包括微軋制和簡單的機械壓縮，同步重定向納米管，然後，最終，我們使用自主的毛細作用力，將這些CNT拼接在一起。」

創新價值

對於研究的創新價值，我覺得Tawfick 的這一段評述比較經典：

「這項研究結合了細心的合成與精緻的實驗和建模。柔性電子設備受制於反覆彎曲和拉伸，這將引起力學破壞。這種新型CNT織物，簡單的柔性封裝於彈性體模型中，能夠用於智能織物，智能皮膚和一些列柔性電子應用。由於他們具有極高的韌性，所以是一種十分引人注目的材料，能夠取代金屬薄膜，提高設備的可靠性。」

應用價值

對於這項研究的應用價值，我們可以參考一下Sameh Tawfick 的說法：

「超薄金屬膜的結構魯棒性，對於智能皮膚和包括生物與結構健康監測的感測器的可靠運行來說，具有十分重要的意義。對齊的碳納米管薄片適用於一些列的跨越微觀和宏觀級的應用，包括微機電系統（MEMS）、超級電容、電線、人造肌肉和多功能複合材料。」

相關研究

之前，John 在《碳納米管會成為可穿戴電子產品的首選製造材料嗎？》一文中，對於碳納米管材料是否適用於可穿戴電子產品，做過一些討論和研究，也順便介紹了碳納米管的更多應用，大家可以參考一下。

參考資料

【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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