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低维材料调光膜:让“智能服装”不再遥远

http://www.tiaoguangbolimo.com 2016年06月22日        

看过好莱坞科幻电影《蝙蝠侠》和《蜘蛛侠》的朋友,相信一定对这些荧屏英雄“刀枪不入”的高科技装备印象深刻。事实上,无论是蝙蝠侠的防弹战衣,还是蜘蛛侠的感官紧身衣,这些穿在英雄身上的智能服装都离不开一种特殊的制作原料——低维材料。

“随着低维材料的深入研究与应用,各种各样的智能服装离百姓生活不再遥远,科幻电影里的这些神奇装备将成为现实。”这是从27日由上海市人民政府、中国科学院和中国工程院主办,东华大学承办的第274期东方科技论坛上传出的消息。

低维材料无处不在

本次论坛的主题为“低维材料体系的基本科学问题与应用探讨”。初次听到这个术语,相信不少市民还很陌生。据论坛专家介绍,我们的世界有各种各样的材料,按照维度来区分,材料分为零维、一维、二维和三维,通常把零维、一维和二维材料统称为低维材料。

低维材料看上去神秘,实际日常生活我们却与它紧密接触。比如玻璃上的智能调光膜,通过控制薄膜的透光率夏天的时候红外光进不来,冬天的时候红外光可以进来,这层膜就是一种低维材料。我们生活中还越来越多的接触到一些零维材料。比如说医疗领域里面,抗癌的一些药物,现在需要一些靶向药物,这些靶向药物要在血液里传输的话,它是非常小的,这些药物也属于零维材料。

如今,以苹果手机为代表的新一代智能手机占据了人们的生活,无论是在地铁里,还是在餐厅里,无论是吃饭还是等车,我们都在使用智能手机。而智能手机里的很多材料,例如手机屏幕里使用的透明光学膜,就是由低维材料制作的。

低维材料应用前景广阔

低维材料的应用可以说是无所不在的,很多领域都有研究者在做研究。比如在柔性电池领域,由于轻薄化和柔性化是可穿戴电子产品的重要发展趋势,作为其核心部件,如何应用低维材料开发出高性能柔性电池,是可穿戴电子产品广泛应用的关键之一;再比如在能源领域,染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池,晶硅太阳能电池……它们内部的每一层都是薄膜结构,组成这些结构的核心材料也都是低维材料。而在提炼单晶硅时需把二氧化硅变成硅,能耗高,如同把“沙子变黄金”,如何实现这些低维材料的低能耗制备就是一个研究方向。又比如在医疗领域,很多医疗的靶向材料,包括一些造影的造影剂也是低维材料制作的。在环保领域,很多研发者想做一种光触媒材料或者说光催化材料,它们本身可能是一些纳米颗粒,可以做成一层膜,对水中的污染物进行降解,这也是低维材料的范畴。

据了解,东华大学有关研究团队目前正在研究低维材料在智能服装中的应用。众所周知,随着科技的进步和生活水平的提高,人们对服装的功能要求也越来越高。除了基本的保温功能外,人们还希望服装能透气、防水、阻燃、抗菌……甚至希望服装能够根据所处环境的改变而发生变化,实现服装的智能化。

东华大学研究专家介绍,由低维材料制作的智能服装是指模拟生命系统,同时具有感知和反应双重功能的服装。智能服装不仅能感知外部环境或内部状态的变化,而且通过反馈机制,能实时地对这种变化作出反应。感知、反馈和反应是智能服装的三大要素。

低维材料打造智能服装究竟长啥样?

近年来出现的“可穿戴设备”着实火热,不过在东华大学研究专家看来,与可穿戴设备不一样,智能服装的科技含量更高,更为智能化。

据介绍,可穿戴的智能手环里很多传感器件实际上都是由低维材料制作的。现在能看到的可穿戴设备,主要将相关的电子元件与衣服简单结合,并没有真正的合二为一,多是“可戴”,距离“可穿”还很远。因此,它们的缺点也很明显,所有的电子元件都不能进水。另外,如果是大量的电子元器件的话,穿着的舒适度也不高。

“将来的智能服装很有可能就如科幻片中呈现的蝙蝠侠、蜘蛛侠那样服装,能瞬间变大变小变色变形动静相宜……有很多神奇的功能。”专家举例说,“纤维若能实现在不同电压、温度、光线下的变色,衣服就能像变色龙一样实现智能伪装。”而目前众多学者研究的可穿戴电致变色纤维、热敏变色纤维、光敏变色纤维等从原理上就初步实现了这样的功能。

东华大学研究专家告诉记者,现在能够看到的大致有点智能服装样子是宇航服,宇航服有很多功能,首先有无线电传输功能,就是他到外部进行操作的时候,飞船里面可以和他通话。然后它还有变形的功能,你要想到一个人到外太空里,外太空是没有气压的,那如果没有任何防护的话,这个人就会膨胀。所以宇航服有一个内压,它主要靠气体给人体一个压力,让你感觉到像在地球上一样。宇航服的很多元件就是由低维材料制造的。

低维材料在智能服装中的研究重点在哪?

目前的可穿戴设备的确使用了不少的低维材料,但要想真正实现服装的智能化,还有大量的工作要研究。

第一个问题就是让纤维导电。现在电子元器件基本是电子的,就是靠导电的。可是所有的服装材料都几乎是不导电的,那么要想让纤维导电本身就是一个难题。当然,可以通过添加一些导电的粒子,或在表面镀一层膜,这些都是低维材料。但是导电了以后,会发觉它又带来一大堆的问题,就是:人要出汗怎么办?这个衣服要水洗怎么办?第二是芯片的问题。现在计算机里逻辑运算使用的硅芯片一直找不到替代品。因为,硅是很脆的。如果想把硅用在服装上,那它必须要具有柔性且可以进行逻辑运算。同时,运行的处理器也应该是柔性的。第三是电源和续航性的问题。智能服装上电子元器件的能源从哪里来?如今一个小型的智能手机电池就已经很重了,手机里大概一半的重量是电池的重量。而大部分智能手机的电量是一天一充。假设整个智能服装都是要靠电来运转的话,电池的尺寸与容量都是关键问题。另外,这些低维材料如何与一件衣服无缝对接,完美结合?究竟用一个什么样的形态把电子元器件和所设计的服装结合在一起……都是需要深入探讨的问题。

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