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圖1. 一維彈性導體的獨特性能以及廣泛應用

  鑒于此，中山大學材料科學與工程學院周劍副教授團隊基于纖維層面，對實現(xiàn)一維彈性導體的可拉伸性和導電性的制造方法與形成機理進行深入探究，并總結了目前可穿戴織物的研究前沿以及對未來發(fā)展的期待與展望。文中重點總結了纖維結構設計實施策略（共軸，屈曲，斷裂等）以賦予一維導體良好的可拉伸性以及電阻穩(wěn)定性；同時從材料選擇的角度，文中涉及基于導電高分子、碳基納米材料、液態(tài)金屬，以及水凝膠、氣凝膠材料，極大拓寬了可穿戴材料領域對于材料選擇的認知，對日后開發(fā)新型一維導體指明了前進方向。文章以“Stretchable One-Dimensional Conductors for Wearable Applications”為題，2022年12月在線發(fā)表于期刊《ACS Nano》。

圖2. 不同結構的一維彈性導體示意圖

圖3. 賦予一維彈性導體高拉伸性的策略

  導電材料可大體通過六種策略賦予其良好的拉伸性能（圖3）。對于一些本征一維彈性導體，形成二維或三維螺旋結構可賦予纖維特定的拉伸性能，并在施加以及釋放應力時保持電阻的穩(wěn)定性（圖3-a）；對于導電納米復合材料，是將導電納米材料均勻填充到彈性基質中，纖維導電性與導電填料的本征電導率以及填料與非導電基質的復合態(tài)有關（圖3-b）；碎片化通常指裂紋的倍增，在可控狀態(tài)下會對材料整體力學和電學性能產(chǎn)生影響，通過拉伸時產(chǎn)生的高密度裂紋，剛性材料（如碳納米管）在彈性體內的拉伸性能顯著提高，且這些裂紋可形成無接觸損耗的導電通路（圖3-c）；共軸結構是賦予一維彈性纖維拉伸性及電阻穩(wěn)定性的一種有效策略，對于本征剛性的導體芯材，可采用預拉伸的方式在卸下應力后形成屈曲結構，這樣在纖維之后的拉伸過程中，屈曲結構將得以釋放，從而賦予了纖維良好的拉伸性和電阻穩(wěn)定性（圖3-d）；而對于液態(tài)金屬，由于其在受到形變時不儲存機械力，在拉伸過程中液態(tài)金屬在彈性管中的流動會導致纖維導電性沒有大的損失，因此可作為具有超高電導率及拉伸性一維導體的填充材料（圖3-f）；加捻是一種制造紗線的簡易而又經(jīng)典的方案，通過纏繞或過度纏繞可產(chǎn)生另一層級上的纏繞結構，同樣可賦予纖維更高的拉伸性以及更優(yōu)異的電阻穩(wěn)定性（圖3-e）。

  盡管一維導體及其應用取得了令人鼓舞的進展，但可拉伸一維導體或設備原型仍處于成長和發(fā)展的早期階段。在它們能夠被大規(guī)模生產(chǎn)并完全集成到實際設備中之前，必須克服科學、工程和安全挑戰(zhàn)。提出目前的挑戰(zhàn)和探索可拉伸-維導體的方向是很有必要的。這就要求金屬級的導電性、大變形下的結構或功能一致性、 長時間的耐久性、與紡織技術的整合、舒適性、可擴展性、安全性和成本效益。

  文獻鏈接：Stretchable One-Dimensional Conductors for Wearable Applications. 

  https://doi.org/10.1021/acsnano.2c08166

中山大學材料科學與工程學院周劍團隊介紹

  研究方向：先進電子與纖維材料

  研究興趣：有機/無機半導體的合成制備及應用研究；先進纖維及織物電子的設計與應用研究；植物資源固廢轉化與應用研究；氣凝膠新型制造方法及產(chǎn)業(yè)化應用研究；柔性電子技術與健康醫(yī)療

  團隊現(xiàn)有特聘副研究員1名，博士后3名，碩士5名。團隊擁有完善的材料合成與表征實驗室、材料加工與器件等實驗室，中山大學東校園化學與材料綜合樓中團隊科研場地面積超120平方米�，F(xiàn)已配置微型高分子合成反應釜，導電高分子液相和氣相合成裝置、冷凍干燥機、超臨界干燥設備、真空手套箱、勻膠機、多通道溫度采集系統(tǒng)、四探針表面方阻儀、新型離心紡絲機、小型及中試濕法紡絲機、納米纖維素提取分離系統(tǒng)、激光雕刻切割機、真空管式爐、萬能拉力機等實驗設備與儀器。 

  團隊與國內外多個課題組，包括美國加州大學戴維斯分校，加拿大英屬哥倫比亞大學（UBC），澳大利亞迪肯大學、沙特阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）、中科大、四川大學等建立了密切合作關系，在國際交流中形成了良好的學術生態(tài)環(huán)境。

  本課題組長期招聘具有材料、化學、物理、機械、電子等背景的本科生、碩士、博士后、特聘副研究員、特聘研究員和國內外訪問學者來進行學習與研究�，F(xiàn)有新型有機/無機半導體的合成制備、植物資源固廢轉化與應用、高性能纖維與氣凝膠材料, 鋰電池軟包鋁塑膜等方向的博士后需求。

  課題組主頁：

  https://mse.sysu.edu.cn/teacher/126

  https://www.x-mol.com/groups/zhou_jian