【飞丝走线“织就”百万次超折叠导电材料】近年来,柔性电子尤其是可穿戴器件发展迅速,有望为人们的工作和生活带来翻天覆地的变化。然而,当它们在朝着便携、变形等方向进一步发展的过程中,遭遇了导电材料无法大量无损真折叠的瓶颈问题。

比如,目前热炒的可折叠手机实际上只是利用了一个旋转轴,根本无法进行任意折叠;一些可穿戴电子设备不可避免地要遇到反复折叠的问题,至今也无法解决。若要解决这些问题,超折叠导电材料无疑是关键的一环。

实际上,人们对导电材料的折叠已经进行了大量的探索,可距离超折叠性能仍相差甚远,哪怕千次以上的无损真折叠也无法实现。

近日,来自同济大学、上海师范大学以及大连理工大学的科研人员,在用化学键理论阐明本征导电材料不能经受大量真折叠原理的基础上,应用超材料设计思想和仿生设计思路,使用改进的静电纺丝/梯度碳化技术,首次仿生制备了一种可承受100万次乃至无限次真折叠而无任何损伤的超折叠导电碳材料(SFCMs)。相关研究成果在线发表于《物质》(Matter)。

【难啃的超折叠“骨头”】

在日常工作和生活中,人们常常存在一个认识误区,那就是认为导电材料的折叠根本不是事儿。

实则不然。比如,金属材料是由无方向性的金属键组成的,因而具有一定的柔韧性,可以进行弯曲甚至少量折叠。但金属键作为化学键的一种,也是短程力,经不住180°真折叠的大幅度的调度,多次折叠带来的损伤积累最终会导致断裂。

导电高分子是由共轭大∏键组成的,具有双键性质,并且比单键具有更多的刚性,经受不住大的变形,更不必说反复折叠了。

以单层石墨烯、单根碳纳米管和碳纳米纤维为代表的碳材料通常被认为具有很好的柔性,但实际上石墨烯是由sp2杂化的大的共轭Π键构成的超薄平面结构,其中共轭Π键具有双键性质,无法承受大量反复的真折叠;碳纳米管其实相当于卷曲的石墨烯,碳纳米纤维中含有大量的石墨化结构,自然经受不住反复的真折叠。

总之,目前的本征导电材料在理论上和实践上都不能承受大量次数的真折叠。如果要实现超折叠性能,需要设计出能够避免化学键直接面对折叠的应力分散结构。

为此,人们进行了大量的探索,通过引入不同的孔结构、调节组装单元间的界面作用、组装不同的立体结构,制备出如金属网格、瓦楞状石墨烯多层膜、竹节状的碳纳米纤维等柔性导电材料,因此它们的柔性得到了有效的提升。原本只能弯一弯的材料变得可以折叠,甚至有的材料在以结构损伤为代价的前提下可以实现千次的折叠。

遗憾的是,由于没有理论的指引,科研人员一直在黑暗中摸索,使得现有材料的折叠性能远远不能满足实际使用的要求,更谈不上超折叠。

山重水复疑无路,柳暗花明又一村。一次参观蚕厂的机会,让同济大学的科研人员倍受启发,走出了一条实现超折叠结构和性能的“仿生之路”。

【源于喷丝作茧的灵感】

人类养蚕抽丝已有数千年的历史,家蚕通过神奇的飞丝走线技艺喷丝作茧,为生产柔软的丝绸提供了优质的原材料。但是这种生蚕茧质地僵硬,不能直接制造纺织品。劳动人民在生产实践中发现,通过简单的碱煮缫丝就能同步实现蚕茧解交联、造孔和膨化等复杂变化,使之由僵硬变得超柔,能够承受大量反复折叠同时产生了ε折叠结构。

“家蚕吐丝—做茧—缫丝等一系列过程能够获得具有超折叠能力的熟蚕茧及其自然形成的‘ε’折叠结构。这些都为超折叠导电材料的制备提供了正确的设计思想与合理的设计路线。” 此项工作的通讯作者之一、同济大学化学科学与工程学院教授吴庆生告诉《中国科学报》。

如果能够对这个制备过程和最终结构进行模仿,那么超折叠的结构和性能有可能实现。基于这样的想法,吴庆生和同济大学特聘研究员吴彤领衔的研究团队使用仿生的高分子静电纺丝来模仿家蚕的喷丝作茧过程和类似的网络结构;进一步通过梯度升温原位碳化模仿缫丝过程,不仅同时实现了材料的解交联、造孔和膨化,而且赋予材料导电特性。最终,通过过程和功能的联合仿生技术,实现了导电超折叠材料的制备(见图)。

图2:制备超折叠碳材料的仿生设计

(同济大学供图)

随后,科研团队对该材料的柔性尤其是折叠性能进行了系统的研究。不仅通过自制的折叠机对它承受反复折叠的能力进行了考察,而且通过自主设计的SEM微观动态观察系统首次实现了折叠过程的实时解析。结果发现,它能够承受超过100万次的反复折叠而没有任何的微结构损伤和导电率变化。而实时折叠观察揭示了这种突破性的无损超折叠能力起源于折叠时形成的ε结构的全面应力分散作用。

这种导电柔性材料的问世,不仅实现了导电材料在超折叠性能上的突破,还弄清了其在折叠过程中的应力分散机制,为其他超折叠导电材料的制备指明了方向。与此同时,该项研究还将解决一系列折叠相关的柔性电子器件的瓶颈问题,乃至为任意变形的电脑/手机一体化超柔设备的制造带来曙光。

【创新永不止步】

研究结果的取得令人振奋,但过程中的个中滋味却只有亲历者才能体会。在研究过程中,研究人员也曾遇到很多困难,甚至一度冒出放弃的念头,但最终还是依靠坚强的意志和团队的力量,经过三年多的刻苦攻坚,终于取得了成功。

对于超折叠材料的实现而言,摆在科研团队面前的最大难题是至今无人知道什么样的构造可以实现超折叠。后来由于受到熟蚕茧能够超折叠并且产生ε结构的启发,明白了其中的构造奥秘,难题便迎刃而解。

如何实现这种构造的制备,是团队亟需解决的第二个难题。家蚕的喷丝作茧过程与常用的高分子静电纺丝工艺非常相似。但是现有的大量静电纺丝工作都没有实现超折叠的结果。“这说明生搬硬套老方法是完全行不通的,必须在传统的静电纺丝中闯出一条新路来。于是我们通过大量的仪器改造和技术优化探索,终于迎来了超折叠碳材料的诞生。”本研究第一作者、同济大学博士昝广涛告诉《中国科学报》。

在科学探索的道路上,创新永无止境。“下一步,我们将会把本工作建立的理论和方法拓展到更多更广的超折叠材料和设备中去。让可折叠手机等柔性电子设备变得收放自如,让可穿戴器件可以自身发电、自由活动、随意洗藏,让折纸式手机/电脑一体化早日实现。”吴庆生充满信心地表示。https://t.cn/A6MSZrLU

#王源[超话]##写给王源的甜品情书[超话]#
碳火飘起青烟,木签串过美味。
凉风拂过的秋夜,可乐拌着凉茶,用吸管咀嚼欢笑。
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隔着屏幕挥舞绿色荧光棒,纵使不能跨过山海相对,你也会给我们不一样的音乐盛会。
晚安,小源[月亮]@TFBOYS-王源

【让所有孩子站在同一起跑线上,株洲市全域实施义务教育起始年级电脑随机编班】

近日,株洲市各县市区教育局均在开展辖区内的电脑随机编班工作。截至今天,10个县市区已完成所有义务教育阶段学校起始年级的电脑随机编班。

【现场】公开、公平、透明,多方人士共同监督。

导入起始年级学生名单、输入班级数量、电脑软件按男女比例一键生成编班结果、打印编班名单、现场签字盖章确认、结果公示……这样一整套流程下来,就完成了一所学校的电脑随机编班。“分班结果很快就出来了,整个过程都是公开公平公正的,我觉得这样的做法很好,让家长安心。”参与了荷塘区中小学生新生电脑随机编班工作现场会的家长代表刘女士说。据了解,各县市区邀请了纪检部门、学校、家长、新闻媒体等共同参与,并接受监督。

8月27日,炎陵县教育局根据洣泉学校提供的学生名单,使用株洲市教育局开发的分班软件,电脑随机为初一年级学生编班。8月28日,洣泉学校的公示栏上张贴了学生的分班情况,学校也通过手机短信告知了家长自己孩子所在的班级。

【背景】株洲市为什么要实施电脑随机编班?

实施均衡编班是义务教育本质属性的根本要求,是回应社会关切,缓解家长焦虑情绪,营造良好教育生态的重要举措。

《义务教育法》、教育部《义务教育学校管理标准》等法律法规明确规定,义务教育学校“不得分设重点班和非重点班”,教育部等九部门《关于印发中小学生减负措施的通知》要求“义务教育阶段学校严禁以任何名义设立重点班、快慢班、实验班,规范实施学生随机均衡编班,合理均衡配备师资”。在今年中央出台的“双减”政策背景下,教育部也明确要求,新学期义务教育学校要严格执行均衡编班的法律规定,不得以任何名义设置重点班,切实做到均衡配置师资。

【落地】电脑随机编班工作方案出台,要求公办、民办学校全覆盖。

为进一步规范义务教育学校办学行为,推进义务教育均衡发展,体现教育公平,树立良好的教育形象,近日,株洲市教育局制定并发布了《关于做好2021年株洲市义务教育阶段学校起始年级电脑随机编班工作的通知》。通知要求,2021年秋季学期起,全市所有义务教育阶段公办、民办学校起始年级学生严格执行均衡编班,不得以考试成绩作为分班依据,不得设置实验班、重点班、快慢班、特色班等有违均衡编班原则的班级。

各县市区教育局全面负责本辖区的公办、民办学校均衡编班工作,编班时,按标准班额、男女比例协调原则均衡编班,确因学位紧张的学校,编班时不能造成大班额。各县市区教育局直接对辖区内民办、公办学校分校进行电脑随机编班。

【声音】缓解了家长的担忧和焦虑,也更有利于调动老师的积极性。

8月29日下午,家住石峰区的家长代表胡先生见证了曙光学校新生电脑随机分班过程。“这个举措体现了株洲市促进教育均衡和教育公平的决心。”胡先生说,希望未来能有更多更好的教育资源,建立优秀教师流转制度,让城乡学生都能享受教育均衡分配的福利。

8月30日,学生家长代表颜女士全程参与了天元区教育局组织的电脑随机编班,她表示:“以前分班,家长会有很大的焦虑,大家都希望自己的孩子能够分到重点班。现在采用了随机分班的方式,是非常公平的,缓解了家长的担忧和焦虑。”

株洲市外国语学校校长饶婷认为,电脑随机编班的方式很好。“电脑随机编班对整个学校是非常有利的,教师教育教学的评价与考核更加公平公正,能很好的调动老师的积极性。同时,每个班级的生态也会更加健康。”饶婷说。

31日上午,株洲市银海学校举办了一年级班主任随机抽班签仪式。“学校前期确定好了一年级班主任人选,今天用抽签的方式来决定大家所带的班级。我们在箱子里准备了8个抽签号,抽到了几号就担任几号班级的班主任。”银海学校校长张建新表示,随机抽班签对每一个孩子和每一位教师都非常公平。

分好班、重点班无形中给刚刚迈进中小学校的学生贴上了标签,这些标签影响着学生的身心健康,也给家长带来了困扰与焦虑。均衡编班整个过程由学校辖区教育局根据班额、男女比例协调原则电脑随机编班,教育部门、纪检部门、新闻媒体、学校、家长共同参与,消除了学生和家长顾虑,可以让所有孩子都能站在同一个起跑线上,给每个学生接受优质教育的平等机会,有利于学生健康成长。

各县市区电脑随机编班现场情况如何?

小编带你一起来了解!

天元区

8月30日下午,天元区教育局开展义务阶段公办学校起始年级电脑随机编班,共有24所中小学,12908人参加编班,采取男女比例协调的原则,随机分班。确保公平公正,纪检组工作人员、人大代表、家长代表和媒体共同见证。

荷塘区

荷塘区于8月28日开展了民办学校电脑随机编班,29日开展了公办学校电脑随机编班。现场邀请了13名家长代表,有随机编班任务的学校校长,以及区教育局监审室和督导室负责人等。全区共22所学校的201个班级参与均衡编班。

芦淞区

8月30日上午,芦淞区教育局组织全区中小学校在枫溪学校进行电脑随机编班,整个过程,严格按照相关流程和要求,遵循均衡原则、随机原则对全区5500余名新生进行电脑分班。区教育局和纪检相关工作人员、学校负责招生工作的副校长及相关教师代表负责全程监督。

石峰区

8月29日下午,石峰区教育局开展2021年义务教育学校起始年级学生电脑分班现场会。区教育局工作人员将名单导入分班软件,按下分班确认键,1分钟左右,电脑大屏幕出现了分班明细和学生信息。工作人员现场打印名单,经纪检组工作人员、家长代表、学校代表等逐一签字确认并盖上公章。

云龙区

8月30日上午,云龙示范区召开电脑随机编班现场会,共4所学校参与,其中3所九年一贯制学校,1所小学。初中共有22个教学班1137名学生参与随机编班,小学共有36个教学班1677人参与随机编班,此次随机编班工作区纪检监察室工作人员全程监督。

渌口区

渌口区于8月27日开展了民办学校电脑随机编班,30日开展了公办学校电脑随机编班。有随机编班任务的学校校长,9名家长代表,以及区教育局分管领导、纪检监察室主任等人全程监督。全区共9所学校的60个班级参与编班。
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醴陵市

8月30日,醴陵市教育局召开义务教育阶段学校起始年级电脑随机编班会议,各中心学校校长、城区义务教育阶段学校校长、家长代表等人参与编班全程监督。
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茶陵县

茶陵县民办学校电脑随机编班于8月28日下午举行,公办学校电脑随机编班在8月30日进行。编班程序为:网上报名系统导出新生名单——导入智能分班系统——设置班级信息——自动智能分班——导出分班名册——打印名册——签字确认。编班在县教育局开展,相关股室人员、纪监室人员、学校负责人等共同在场监督。

炎陵县

炎陵县于8月27号开展民办学校电脑随机编班,30号开展公办初中电脑随机编班,3所公办小学的编班于31号开展。全县共5所学校的34个班级参与均衡编班。

攸县

8月31日,攸县教育局组织城区所有义务教育阶段学校均衡编班。县教育局主要领导和工作人员、学校校长、教师代表和学生家长共同监督。编班工作结束后随即召开校长会,会上强调,所有学校必须严格按照教育局的编制的班级执行,任何学校不得随意变更学生名单。(来源:株洲教育)


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