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柔性材料“下一站”：更多功能更强智能

在日前举行的第二十六届中国科协年会上，由东华大学研究员门永军、副研究员周哲、副研究员朱丽萍等专家提出，中国化工学会推荐的“通过耦合与杂化实现柔性材料的功能涌现”入选中国科协发布的2024十大前沿科学问题。

“柔性材料正以其卓越的特性和广泛的应用前景，迅速成为研究焦点。”门永军说，“耦合与杂化不仅是实现材料功能化与智能化的关键技术，还是一个深刻的基础科学问题。我们需要从系统科学的视角出发，探索更具普适性的材料制备策略。”

柔性材料有独特优势

“我们说的柔性材料是一类具有高柔韧性和可伸缩性的功能材料，它们能够承受弯曲、扭曲、折叠或拉伸等形变而不产生破裂或性能下降等问题，还具有导电、催化或抗菌等功能。”门永军说。

对于“通过耦合与杂化实现柔性材料的功能涌现”这一科学问题，门永军介绍：“‘柔’说明材料能够改变其形态；‘功能’则是我们设计和制造材料的目标；‘功能涌现’是材料内部各组分间相互作用的结果。这些功能往往不是单个组分所具有的，而是各组分在相互作用的过程中表现出来的。”

近年来，功能化、智能化成为柔性材料研究的重点方向。“比如以传统纤维为基础，通过表面改性、杂化等方式赋予纤维抗菌或催化功能，进而应用在服装或新能源领域。”门永军说。

在生物医学领域，柔性材料可应用于生物传感器和可穿戴设备的制造。在电子信息领域，柔性材料可助力超薄、可弯曲显示屏的研发，从而进一步缩小电子设备的体积，提高设备的便携性。在储能领域，柔性材料为高效、轻型、薄型储能电池的研究提供了新的可能。

总体上，柔性材料弥补了传统刚性材料难以与褶皱衣物、人体皮肤等形状不规则物体贴合的局限，在人形机器人、智慧医疗等应用场景中显现出优势，也为未来电子技术的发展开辟了崭新视野。

耦合杂化是设计关键

“要想实现柔性材料在诸多场景的应用，就要解决材料设计的关键共性问题——柔性材料的多功能耦合与杂化。”门永军说。

把多种具有不同性质或结构的物质通过技术手段结合在一起，并在其内部构筑催化基元、吸波单元、计算元胞等功能性单元，有望获得原材料不具备的新性能，让柔性材料实现功能化与智能化。例如，采用聚合物纤维作为柔性基材，将具有催化作用的纳米材料引入纤维中，最终可以得到具有催化功能的柔性纤维材料。

然而，简单地将不同物质混合往往会存在界面问题，进而导致材料性能与功能下降。

“如何确保材料的各组成部分不是孤立存在，而是互相配合、协同合作？”门永军认为，柔性材料的制备难点在于让内部形成一个高效的耦合系统。在这个系统中，物质和能量能在组分间高效传递与转换。整个系统作为协调一致的整体，能对外部信号作出快速且精准的响应。

“耦合可以被视为一种关联机制，它确保了材料系统中各个组分间的有效连接和相互作用。杂化则是一种技术方法，能够让不同性质的组分融合在一起，从而创造出新的特性。”门永军介绍，从多组分材料的加工技术上来说，耦合与杂化极其重要。

“我们期望制造出的柔性材料能够展现出远超其各组成部分简单累加的性能，达到‘1+1＞2’的效果，柔性材料还要与外界系统进行有效的交互与协作，实现在不同层级上的功能涌现。”门永军说，这种性能提升，是材料自主适应环境变化、执行智能任务的基础。对于人形机器人、可穿戴设备、健康医疗、航空飞行器设计等领域的发展具有重要的意义。

当前耦合与杂化技术的策略方法还存在一定的局限。“不同材料间软硬匹配、不同材料耦合的信号传导、多组分材料间界面结合、材料整体设计缺乏对应理论……科学家已经关注到了这些问题，并正在寻找解决方案。”门永军说，解决这些问题需要从多个尺度系统思考，包括分子尺度柔性基元的设计、纳米尺度功能基元的精确构筑、微米尺度的相分离等。

“功能涌现”需系统谋划

“功能涌现是一个系统科学问题。”门永军认为，为实现功能涌现，可以从系统视角出发，提出通用策略，并形成新的研究范式。

就如同一架飞机由各种零部件按照特定方式组装在一起才具有各零部件所不具备的飞行功能一样。由不同性质的材料按特定方式集成而来的柔性材料作为一个整体，也具有各组成部分所不具备的新特性。要探索新特性从何而来，就要从更高层次理解结构和功能的问题。

“发展柔性材料设计的新方法，揭示材料耦合、杂化的新原理，扩展柔性材料的应用领域，都需要研究者以系统的视角来思考问题，提出面向全局的解决方案，并充分利用材料科学、化学、物理、系统科学等多学科的知识制定策略。”门永军说，跨学科的融合和创新，不仅推动了科学理论的发展，也为解决实际问题提供了新的视角和方法。基于此，研究人员可以更好地理解和设计柔性材料，使其实现功能化和智能化，从而推动材料科学与技术的进步。

【十大科技进展典型成果③】弯了的“天线”也能实时进行无线通信——电子信息领域黄维团队典型成果

近日，“2023年度江苏省行业领域十大科技进展”遴选结果发布，南京邮电大学有机电子与信息显示国家重点实验室黄维院士、赵强教授团队联合射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室刘蕾蕾教授团队、宽带无线通信与传感网技术教育部重点实验室田峰教授团队完成的“面向无线通信应用的印刷柔性射频天线的研制”成果入选电子信息领域十大科技进展。

随着物联网、可穿戴设备、植入式电子等新兴技术的快速发展，柔性无线通信设备逐渐趋向于柔性化、轻薄化和微型化。日益增长的市场需求迫切需要开发出具有“轻、薄、柔”特点的天线组件。然而，传统金属天线的本征重量大、回弹性差和制造工艺复杂等缺陷限制了其在柔性无线通信领域的应用。因此，如何有针对性地设计、制备质轻、可共形集成的柔性射频天线成为该领域面临的重要挑战。

“针对上述挑战，我们团队在柔性电子国家基础科学中心等项目支持下，开展了面向无线通信应用的柔性射频天线的技术攻关。”赵强教授介绍，团队创新性提出了“分子胶水”界面改性工艺和先进挤压印刷技术相结合的策略，成功构建了柔性超宽带碳化钛单极子天线，实现了在弯曲状态下流畅、实时、稳定的无线通信传输等关键技术突破。

二维碳化钛超薄纳米材料具有高电导率、轻质柔性、易于加工的特性，非常符合柔性无线通信器件的制备和使用要求。赵强教授介绍：“当前，碳化钛天线都是以介质基板、中间黏结层和碳化钛传输层相互叠加的‘三明治’结构，不仅构造复杂，而且厚度较大，限制了它在可穿戴等柔性电子设备中的广泛应用。”

研究团队针对碳化钛材料在制备柔性天线过程中遇到的难题，利用聚多巴胺“分子胶水”作为中间黏结层。“这种分子胶水非常轻薄，厚度几乎可以忽略不计，同时它表面暴露的官能团，就像无数微小的‘吸盘’一样，使得传输层和介质基板紧密结合。即使在数千次弯折后，碳化钛和介质基板也不会出现分离现象。”赵为为副教授介绍，这是柔性天线能够稳定传输无线信号的基础，同时也为解决柔性射频电路的集成问题提供了有效途径。

该研究的另一重点是提升天线的增益和辐射效率。随着碳化钛传输层厚度的增加，增益和辐射效率也会逐渐提高。刘蕾蕾教授说：“我们的研究希望实现碳化钛传输层既轻薄又高效，找到‘轻、薄、柔’三者之间的平衡点。为此，我们先将碳化钛材料制成油墨，再逐层印刷在介质基板表面，通过控制传输层厚度，得到想要的效果。”该团队研制的柔性天线涵盖了WLAN、蓝牙、5G（n41、n78）频段，在弯曲状态和平坦状态间进行变换时，带宽和中心频率保持良好，当天线处于非视线内或不同方位角时，传输效果依然稳定。

该项目首次完成了柔性碳化钛天线的视频信号无线传输实例，这是南邮材料、电子、通信领域的三个优势学科团队共同合作，在“柔性电子”交叉学科领域取得的重要研究成果。（作者：赵为为赵强编辑：谢长美）

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