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  中國國家游泳中心“水立方”由于其獨特的泡泡結構設計，在奧運會期間吸引了全球的眼光，至今仍是建筑設計的典范。其實復雜的外表之下， 水立方的“泡泡”背后還藏著一個在科學界非常著名的“開爾文問題”. 最近英國曼徹斯特大學劉旭慶博士團隊的研究表示，這個古老的經典問題在時尚的可穿戴領域，又有了新的貢獻。

圖1 左：中國國家游泳中心 右：開爾文爵士

（圖片來源于維基百科）

  可穿戴設備和柔性器件引領了人類未來的智慧生活方式。金屬材料由于導電性高和成本等優勢，是目前可穿戴設備和柔性器件主要的導體。通過電鍍或者化學鍍等方法，將金屬層沉積在柔性的纖維或其他柔性聚合物基底，是可穿戴設備的上游產品，其穩定的導電性是確保柔性器件性能穩定的重要保障。但是由于在拉伸過程的應力作用下，導電金屬涂層中形成許多微裂紋，使用過程中的重復彎曲經常導致導電率的顯著降低，這是導致柔性器件失效的主要原因之一。此項工作創造性的引入天然單寧酸分子以附著到纖維和PU等高分子柔性基材上，為催化劑吸收和隨后的金屬顆粒的無電沉積（ELD）提供了完美的平臺。通過了解化學金屬沉積物的成核，生長和結構，金屬納米粒子的表面形態可以通過電鍍時間的簡單變化在微納米級別上進行控制。當化學鍍時間為20分鐘時，制成的導電纖維的歸一化電阻（R / R0）僅為1.6，這遠低于在相同條件下的60分鐘ELD樣品（R /R0≈5）。這是因為納米顆粒之間的大量未填充間隙防止金屬膜在彎曲下開裂。（圖2）

圖2:不同反應時間的布料導電性和柔軟性和纖維表面形貌。

  更重要的是，他們在研究導電性和柔性的關系時，通過肥皂泡聚集形態啟發，引用了經典的開爾文問題來研究納米金屬在柔性基底的聚集狀態，從而優化導電層的柔性和導電性的關系，并組裝了相關的柔性器件。（圖3）

圖3：泡泡模型的建立和金屬斷面的分析

  除了開爾文問題，有趣的肥皂泡里還包括極小曲面問題，和偏微分方程、微分幾何、變分法、拓撲學等多個方向都有重要的聯系，也為了解納米尺度下的凝聚態物理提供了絕佳的宏觀模型.

  相關工作發表在 Small (A Nature‐Inspired, Flexible Substrate Strategy for Future Wearable Electronics)。論文第一作者是祝創，現為曼徹斯特大學博士二年級學生，通訊作者為劉旭慶博士。

  英國曼徹斯特大學劉旭慶博士課題組近幾年致力于高分子纖維的表面分子設計，從而研發新型功能性面料和可穿戴設備，其課題組的近年的相關的一些研究成果被The Economist，Nursing Times廣泛報道，在全球產業界引起廣泛關注。

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