蠶絲的智能未來

高敏　王琪

何為超強蠶絲？它的性能發(fā)生了怎樣的改變？蠶絲可以導電？還能夠做成智能器件？它又是如何被賦予了全新的功能？素來享有“纖維皇后”美譽的天然蠶絲遇上高科技是怎樣的一番景象？跟隨張瑩瑩研究團隊，走進清華大學微納米力學與多學科交叉創(chuàng)新研究中心，一探究竟。所謂管中窺豹，可見一斑，傳統(tǒng)蠶絲經(jīng)過高科技變身，在柔性可穿戴領(lǐng)域有著巨大的潛力，去參與智能未來的編織;同時， 每一項研究成果都是科學家們智慧的結(jié)晶，見證著科學家們堅韌的精神領(lǐng)域科學創(chuàng)新之路。

科技變身之超強蠶絲的制備

如何讓蠶絲可以更輕盈更強韌，從而制備改性蠶絲呢？

石墨烯是由純的碳原子組成的一種納米碳材 料，擁有著非常高的輕薄度、強度及導電導熱性能。通過將石墨烯溶液噴涂在桑葉上，喂養(yǎng)幼蠶，從而制備出摻雜有碳納米管和石墨烯的超強蠶絲。聽起來有些異想天開。然而，事實證明，蠶寶寶很適應這種含有高科技添加劑的新食物，不僅健康成長，成活率百分之百，而且真的吐出了含有石墨烯的蠶絲！最后測試蠶絲的力學性能，發(fā)現(xiàn)蠶絲強度提高了64%， 韌性提高了 113%。

研究中心將獲得的改性蠶絲進行高溫碳化，基于碳納米管、石墨烯的模板誘導作用，使得蠶絲在碳化過程中石墨烯化程度提升，其對應的碳化纖維電導率顯著提高。

該系列研究提供了一種操作簡單、具有生物友好性、可大規(guī)模制取力學增強的改性蠶絲纖維的方法，同時在新型紡織品、可穿戴器件等領(lǐng)域具有一定的潛在應有價值。這項研究被中國科學院科技戰(zhàn)略咨詢研究院評選為“2016 全球最受公眾關(guān)注的科學成果”之一。

科技變身之智能器件的制備

近年來，可穿戴設(shè)備逐漸地走向每個人的日常生活，從簡單的計步手環(huán)到復雜的心率睡眠監(jiān)測手表，正帶來一次改變?nèi)祟惿罘绞降闹卮笞兏铩?/p>

然而，多數(shù)可穿戴設(shè)備通常是傳統(tǒng)設(shè)備的小型化和便攜化，還不具備真正的柔性，更缺乏舒適性、透氣性等特點。我們傳統(tǒng)的絲綢制品雖然柔軟、舒適、透氣，但是不具備導電性和相關(guān)的功能性。如何讓傳統(tǒng)的絲綢制品變身為適用于新型智能設(shè)備的科技產(chǎn)物，成為智能絲綢，也是研究中心科研團隊的致力點。

有幸接觸到該研究中心科研團隊在這方面的幾項科研成果，以此認識一下由傳統(tǒng)蠶絲變身而來的幾例智能器件吧。

第一例

采用市場上購得的真絲面料，首次發(fā)展了高溫熱裂解桑蠶絲綢并用于制備高性能柔性拉力傳感器的策略，走近制備智能絲綢的夢想并獲得了一定的成果。由于桑蠶絲綢固有的編織花紋，所獲得的碳化絲綢具有“納米石墨晶-微米級纖維—宏觀編織圖案”多級結(jié)構(gòu)，同時具有柔性、高導電性和高可拉伸性的特點，將其包埋于彈性聚合物中所制備的柔性拉力傳感器兼具高靈敏性和寬應變工作范圖的性能。

第二例

基于蠶絲納米纖維薄膜， 碳納米管/石墨烯薄膜， 指紋狀石墨烯薄膜分別獲得了高性能柔性壓力傳感器的制備方法。

以桑蠶絲作為原材料，通過靜電紡絲及高溫碳化將其轉(zhuǎn)化為微晶石墨化納米纖維膜，制備出一種有超高靈敏度、高透明度、低檢測極限、超低響應間、可陣列化集成的 “蠶絲電子皮膚”。然后通過碳納米管薄膜上原位生長石墨烯或者直接用化學氣相沉積方法制備指紋狀石墨烯，從而獲得導電性好、透光性高、具有“立體指紋結(jié)構(gòu)”的納米碳薄膜并利用直接印模植物葉片表面多級微結(jié)構(gòu)的方法得到具有微結(jié)構(gòu)的柔性基底。將兩者結(jié)合得到高靈敏、低檢測極限的柔性透明的薄膜狀壓力傳感器。

以上器件均有著出色的性能和實際應用。例如，可將力學傳感器直接貼于人體皮膚或負載在衣物、配飾上，用于檢測大運動（例如跑步、跳躍、踏步、手指彎曲、腕部活動等）;也可用于檢測微弱生理信號或者小運動（例如脈搏、呼吸、微表清、發(fā)聲、心電、腦電等），不夸張地說，在做心電監(jiān)測時，不需用耦合劑，也不會受到運動的影響。若將其與信號處理及命令生成系統(tǒng)集成，還可實現(xiàn)對人體運動和生理信號的實時捕捉與重建，從而服務于未來的虛擬科技發(fā)展、健康與運動管理、大數(shù)據(jù)采集與社會行為分析等。

當然， 目前取得的智能器件成果遠不止于此，該研究中心科研團隊還開發(fā)了一系列其他的柔性器件。這些器件集成起來均可用于制備全蠶絲基柔性可穿戴器件和智能織物，從而為高性能可穿戴電子器件的低成本、大規(guī)模制備及功能化集成提供了新的途徑，向我們展示著蠶絲在未來可穿戴智能領(lǐng)域的無限可能。

1. 張瑩瑩老師演示如何使用可穿戴設(shè)備

推薦單位 / 北京科學技術(shù)期刊學會

成果來源 / 清華大學微納米力學與多學科交叉創(chuàng)新研究中心

科研代表 / 張瑩瑩 轉(zhuǎn)化作者 / 高敏、王琪