在日前舉行的第二十六屆中國科協(xié)年會上，由東華大學(xué)研究員門永軍、副研究員周哲、副研究員朱麗萍等專家提出，中國化工學(xué)會推薦的“通過耦合與雜化實(shí)現(xiàn)柔性材料的功能涌現(xiàn)”入選中國科協(xié)發(fā)布的2024十大前沿科學(xué)問題。
“柔性材料正以其卓越的特性和廣泛的應(yīng)用前景，迅速成為研究焦點(diǎn)。”門永軍說，“耦合與雜化不僅是實(shí)現(xiàn)材料功能化與智能化的關(guān)鍵技術(shù)，還是一個深刻的基礎(chǔ)科學(xué)問題。我們需要從系統(tǒng)科學(xué)的視角出發(fā)，探索更具普適性的材料制備策略。”
柔性材料有獨(dú)特優(yōu)勢
“我們說的柔性材料是一類具有高柔韌性和可伸縮性的功能材料，它們能夠承受彎曲、扭曲、折疊或拉伸等形變而不產(chǎn)生破裂或性能下降等問題，還具有導(dǎo)電、催化或抗菌等功能。”門永軍說。
對于“通過耦合與雜化實(shí)現(xiàn)柔性材料的功能涌現(xiàn)”這一科學(xué)問題，門永軍介紹：“‘柔’說明材料能夠改變其形態(tài)；‘功能’則是我們設(shè)計和制造材料的目標(biāo)；‘功能涌現(xiàn)’是材料內(nèi)部各組分間相互作用的結(jié)果。這些功能往往不是單個組分所具有的，而是各組分在相互作用的過程中表現(xiàn)出來的。”
近年來，功能化、智能化成為柔性材料研究的重點(diǎn)方向。“比如以傳統(tǒng)纖維為基礎(chǔ)，通過表面改性、雜化等方式賦予纖維抗菌或催化功能，進(jìn)而應(yīng)用在服裝或新能源領(lǐng)域。”門永軍說。
在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，柔性材料可應(yīng)用于生物傳感器和可穿戴設(shè)備的制造。在電子信息領(lǐng)域，柔性材料可助力超薄、可彎曲顯示屏的研發(fā)，從而進(jìn)一步縮小電子設(shè)備的體積，提高設(shè)備的便攜性。在儲能領(lǐng)域，柔性材料為高效、輕型、薄型儲能電池的研究提供了新的可能。
總體上，柔性材料彌補(bǔ)了傳統(tǒng)剛性材料難以與褶皺衣物、人體皮膚等形狀不規(guī)則物體貼合的局限，在人形機(jī)器人、智慧醫(yī)療等應(yīng)用場景中顯現(xiàn)出優(yōu)勢，也為未來電子技術(shù)的發(fā)展開辟了嶄新視野。
耦合雜化是設(shè)計關(guān)鍵
“要想實(shí)現(xiàn)柔性材料在諸多場景的應(yīng)用，就要解決材料設(shè)計的關(guān)鍵共性問題——柔性材料的多功能耦合與雜化。”門永軍說。
把多種具有不同性質(zhì)或結(jié)構(gòu)的物質(zhì)通過技術(shù)手段結(jié)合在一起，并在其內(nèi)部構(gòu)筑催化基元、吸波單元、計算元胞等功能性單元，有望獲得原材料不具備的新性能，讓柔性材料實(shí)現(xiàn)功能化與智能化。例如，采用聚合物纖維作為柔性基材，將具有催化作用的納米材料引入纖維中，最終可以得到具有催化功能的柔性纖維材料。
然而，簡單地將不同物質(zhì)混合往往會存在界面問題，進(jìn)而導(dǎo)致材料性能與功能下降。
“如何確保材料的各組成部分不是孤立存在，而是互相配合、協(xié)同合作？”門永軍認(rèn)為，柔性材料的制備難點(diǎn)在于讓內(nèi)部形成一個高效的耦合系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，物質(zhì)和能量能在組分間高效傳遞與轉(zhuǎn)換。整個系統(tǒng)作為協(xié)調(diào)一致的整體，能對外部信號作出快速且精準(zhǔn)的響應(yīng)。
“耦合可以被視為一種關(guān)聯(lián)機(jī)制，它確保了材料系統(tǒng)中各個組分間的有效連接和相互作用。雜化則是一種技術(shù)方法，能夠讓不同性質(zhì)的組分融合在一起，從而創(chuàng)造出新的特性。”門永軍介紹，從多組分材料的加工技術(shù)上來說，耦合與雜化極其重要。
“我們期望制造出的柔性材料能夠展現(xiàn)出遠(yuǎn)超其各組成部分簡單累加的性能，達(dá)到‘1+1＞2’的效果，柔性材料還要與外界系統(tǒng)進(jìn)行有效的交互與協(xié)作，實(shí)現(xiàn)在不同層級上的功能涌現(xiàn)。”門永軍說，這種性能提升，是材料自主適應(yīng)環(huán)境變化、執(zhí)行智能任務(wù)的基礎(chǔ)。對于人形機(jī)器人、可穿戴設(shè)備、健康醫(yī)療、航空飛行器設(shè)計等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的意義。
當(dāng)前耦合與雜化技術(shù)的策略方法還存在一定的局限。“不同材料間軟硬匹配、不同材料耦合的信號傳導(dǎo)、多組分材料間界面結(jié)合、材料整體設(shè)計缺乏對應(yīng)理論……科學(xué)家已經(jīng)關(guān)注到了這些問題，并正在尋找解決方案。”門永軍說，解決這些問題需要從多個尺度系統(tǒng)思考，包括分子尺度柔性基元的設(shè)計、納米尺度功能基元的精確構(gòu)筑、微米尺度的相分離等。
“功能涌現(xiàn)”需系統(tǒng)謀劃
“功能涌現(xiàn)是一個系統(tǒng)科學(xué)問題。”門永軍認(rèn)為，為實(shí)現(xiàn)功能涌現(xiàn)，可以從系統(tǒng)視角出發(fā)，提出通用策略，并形成新的研究范式。
就如同一架飛機(jī)由各種零部件按照特定方式組裝在一起才具有各零部件所不具備的飛行功能一樣。由不同性質(zhì)的材料按特定方式集成而來的柔性材料作為一個整體，也具有各組成部分所不具備的新特性。要探索新特性從何而來，就要從更高層次理解結(jié)構(gòu)和功能的問題。
“發(fā)展柔性材料設(shè)計的新方法，揭示材料耦合、雜化的新原理，擴(kuò)展柔性材料的應(yīng)用領(lǐng)域，都需要研究者以系統(tǒng)的視角來思考問題，提出面向全局的解決方案，并充分利用材料科學(xué)、化學(xué)、物理、系統(tǒng)科學(xué)等多學(xué)科的知識制定策略。”門永軍說，跨學(xué)科的融合和創(chuàng)新，不僅推動了科學(xué)理論的發(fā)展，也為解決實(shí)際問題提供了新的視角和方法。基于此，研究人員可以更好地理解和設(shè)計柔性材料，使其實(shí)現(xiàn)功能化和智能化，從而推動材料科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)步。
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