同济大学吴庆生、吴彤团队实现百万次无损超折叠导电材料的突破

众所周知，柔性电子与可穿戴器件已发展成为当今的科技前沿和热点研究领域，而导电材料能否承受大量无损真折叠已成为制约其中诸多方向进一步发展的“瓶颈”问题。比如当今热门的可折叠手机，实际上只是利用了一个旋转轴，根本无法进行任意折叠；一些可穿戴电子设备不可避免地要遇到反复折叠问题，至今也无法解决；未来人们期待使用的折纸式手机/电脑一体化设备（吴庆生等授权专利ZL201721122410）目前更难以实现。若要解决这些问题，超折叠导电材料无疑是关键的一环。然而，尽管人们已经进行了大量的探索，可实际上距离其超折叠性能仍相差甚远，哪怕千次以上的无损真折叠也无法实现。其主要原因是人们对于导电材料折叠过程中的应力分散原理及其构效关系了解甚少，而且对本征导电材料的不可多折叠性质认识不足。

鉴于此，同济大学化学科学与工程学院吴庆生教授和吴彤特聘研究员领衔的研究团队在通过化学键理论创建本征导电材料不可折原理基础上，应用超材料设计思想和仿生设计思路，使用改进的静电纺丝/梯度碳化技术，首次仿生制备了一种可承受100万次乃至无限次真折叠而无任何损伤的超折叠导电碳材料（SFCMs），这实际上是一种导电柔性超材料（meta-material）的问世。通过自建的实时SEM折叠系统观察研究以及力学模拟分析，揭示了SFCMs折叠过程中的多级应力分散机制，为其它超折叠材料和器件的设计制造指明了方向，具有重大的科学意义和广阔的应用前景。其相关工作以“A biomimetic conductive super-foldable material”为题发表在Cell姊妹刊Matter上（Matter,2021,DOI:10.1016/j.matt.2021.07.021）。

超材料能够通过人工设计实现自然材料本身所不具有“反常”功能，而家蚕吐丝-做茧-缫丝等一系列过程能够获得具有超折叠能力的熟蚕茧及其自然形成的“ε”折叠结构。这些都为超折叠导电材料的制备提供了正确的设计思想与合理的设计路线。

结构分析表明，SFCMs是一种～200nm直径、微米级长度、～3.8纳米孔径、～445 m2g−1比表面积、含有少量N和O、部分石墨化、节点无黏连、层间可分离的八面玲珑网络构造。

用自制的计数折叠机进行自动折叠和导电率跟踪、通过自装的SEM实时折叠观察系统进行微观分析。结果发现：随着折叠的进行，首先出现层间的波浪式突起，以分散与平面垂直方向的应力；然后褶缝左右通过压缩层间距而形成两个分散弧和一个中间内突岛，以分散弯折弧度缩小产生的应力，同时让每根纳米纤维都免受直接的180º蹂躏；在整个折叠过程中，弯折弧顶部与两个分散弧对应处的纳米纤维产生局部滑移，形成两条稀疏的沟槽，以分散折缝处层内的应力。于是，随着折叠的进行，一个包含突起的层、滑移的槽、分散的弧在内的“ε”折叠构造形成，使180º真折叠的应力得到完全分散，从而保障了导电材料在经历100万次乃至无限次真折叠之后仍完好无损。力学模拟进一步证实了上述机理。

该论文运用蚕茧仿生思路，首次设计制备出能够经受百万次以上无损真折叠的网络碳材料，实现了超折叠导电材料的突破；首次阐明了导电材料折叠过程中的应力分散机理，为其它超折叠导电材料的设计制备指明了方向，为折纸式手机/电脑一体化设备等超柔性电子器件的问世带来了新的曙光。

该项研究得到了国家自然科学基金和精细化工国家重点实验室开放基金的资助。美国斯坦福大学崔屹教授给予了研究工作大力支持。清华大学李亚栋院士、大连理工大学彭孝军院士、日本名城大学S.Iijima院士、复旦大学彭慧胜教授、中科院沈阳金属所刘畅教授以及北京大学涂腾博士都对该工作提供了帮助。我校航空航天与力学学院贺鹏飞教授和朱峰博士，环境科学与工程学院黄翔峰教授、张伟贤教授和王颖教授在多方面进行了通力合作。该论文通讯作者为吴彤特聘研究员和吴庆生教授以及上海师范大学万颖教授，第一作者为昝广涛博士，第一署名单位为同济大学化学科学与工程学院等机构，同济大学具有完全知识产权。

来源：同济大学

论文链接：

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(21)00392-1