英国曼彻斯特大学材料学院刘旭庆博士团队在柔性器件领域取得突破性进展

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中国国家游泳中心“水立方”由于其独特的泡泡结构设计，在奥运会期间吸引了全球的眼光，至今仍是建筑设计的典范。其实复杂的外表之下， 水立方的“泡泡”背后还藏着一个在科学界非常著名的“开尔文问题”. 最近英国曼彻斯特大学刘旭庆博士团队的研究表示，这个古老的经典问题在时尚的可穿戴领域，又有了新的贡献。

图1 左：中国国家游泳中心 右：开尔文爵士

（图片来源于维基百科）

可穿戴设备和柔性器件引领了人类未来的智慧生活方式。金属材料由于导电性高和成本等优势，是目前可穿戴设备和柔性器件主要的导体。通过电镀或者化学镀等方法，将金属层沉积在柔性的纤维或其他柔性聚合物基底，是可穿戴设备的上游产品，其稳定的导电性是确保柔性器件性能稳定的重要保障。但是由于在拉伸过程的应力作用下，导电金属涂层中形成许多微裂纹，使用过程中的重复弯曲经常导致导电率的显着降低，这是导致柔性器件失效的主要原因之一。此项工作创造性的引入天然单宁酸分子以附着到纤维和PU等高分子柔性基材上，为催化剂吸收和随后的金属颗粒的无电沉积（ELD）提供了完美的平台。通过了解化学金属沉积物的成核，生长和结构，金属纳米粒子的表面形态可以通过电镀时间的简单变化在微纳米级别上进行控制。当化学镀时间为20分钟时，制成的导电纤维的归一化电阻（R / R0）仅为1.6，这远低于在相同条件下的60分钟ELD样品（R /R0≈5）。这是因为纳米颗粒之间的大量未填充间隙防止金属膜在弯曲下开裂。（图2）

图2:不同反应时间的布料导电性和柔软性和纤维表面形貌。

更重要的是，他们在研究导电性和柔性的关系时，通过肥皂泡聚集形态启发，引用了经典的开尔文问题来研究纳米金属在柔性基底的聚集状态，从而优化导电层的柔性和导电性的关系，并组装了相关的柔性器件。（图3）

图3：泡泡模型的建立和金属断面的分析

除了开尔文问题，有趣的肥皂泡里还包括极小曲面问题，和偏微分方程、微分几何、变分法、拓扑学等多个方向都有重要的联系，也为了解纳米尺度下的凝聚态物理提供了绝佳的宏观模型.

相关工作发表在 Small (A Nature‐Inspired, Flexible Substrate Strategy for Future Wearable Electronics)。论文第一作者是祝创，现为曼彻斯特大学博士二年级学生，通讯作者为刘旭庆博士。

英国曼彻斯特大学刘旭庆博士课题组近几年致力于高分子纤维的表面分子设计，从而研发新型功能性面料和可穿戴设备，其课题组的近年的相关的一些研究成果被The Economist，Nursing Times广泛报道，在全球产业界引起广泛关注。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201902440

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