展开菜单
首页 精品内容 本月促销 装机必备 Windows PDF教程 macOS软件 IOS软件 Android AI 专题
全部分类

当前位置:

首页 > 硬件相关 > 华人科学家让塑料自己长成纳米带,或颠覆柔性电子材料

华人科学家让塑料自己长成纳米带,或颠覆柔性电子材料

美国普渡大学与中国科学院团队发现,n-PBDF导电聚合物在溶液中自发组装成整齐纳米带,薄膜导电率达10⁴S/cm以上,接近金属水平。该聚合驱动自发组装机制为柔性电子材料突破性能瓶颈提供了新路径。

本文目录

    最近,美国普渡大学梅建国教授团队和中国科学院化学研究所狄重安研究员团队,在导电聚合物领域搞出了一件大事——他们让导电聚合物实现了金属级的导电率。这项成果发表在《科学》杂志上,很可能给柔性电子材料带来一场革命。

    具体来说,他们发现一种叫n-PBDF的导电聚合物,能在溶液中自发组装,生长出长达数百纳米的整齐纳米带。把这些纳米带铺成薄膜后,导电能力直接飙到10⁴ S/cm以上,妥妥迈进了金属的“俱乐部”。这意味着,柔性屏、可穿戴设备、生物传感器这些领域,距离真正的高性能又近了一大步。而且,整个过程都是聚合物自己搞定的,没有任何外部干预。

    一直以来,导电高分子都面临着一个尴尬的现实:它很想替代金属和硅,但电荷在里面跑得不够快。问题出在高分子链是长条状的,电荷沿着链条跑得飞快,可一旦要跳到另一条链上,速度就慢得可怜。传统高分子材料内部就像一锅煮过头的面条,所有链都缠在一起,方向乱七八糟,电荷走两步就得跳一次车,速度自然上不去。

    导电高分子的应用前景非常广阔,柔性显示屏、可穿戴电子设备、生物传感器、热电转换器件……这些领域都需要一种既能导电又非常柔韧的材料。金属和硅太硬了,弯不了几下就会断掉。导电高分子虽然柔韧,能弯曲能拉伸,但之前的导电性能一直不够好。而这项研究,正好在导电性能这块短板上了补了一刀。

    研究团队用的n-PBDF导电高分子,自己能长成整齐的纳米带。电荷沿着纳米带前进时,速度跟金属差不多,超过每厘米一万西门子。相比之下,普通导电高分子的电导率大约在每厘米十到一千西门子之间,两者差了将近两个数量级。


    (来源:论文作者提供)

    n-PBDF特殊在哪?它的分子链上有一些位置能抓住质子,形成很强的氢键。两条链通过氢键配对,像拉链一样咬合在一起。研究团队还发现了一个有意思的机制:他们把这种高分子的单体(还没连成链的小分子)和已经连好的聚合物放在一起,结果单体居然能还原聚合物,让它带上电荷。带电荷的聚合物反过来又能催化单体聚合。这个过程在溶液里同时发生——单体一边被拉进链条,链条一边自己排好了队。

    实验里观察到,聚合反应发生三四十分钟后,溶液里就开始出现细长的纳米带。随着时间的推移,这些纳米带慢慢变宽、变长,但厚度保持不变。具体来说,纳米带宽度大约25纳米,高度不到1纳米,长度能到几百纳米。

    电镜照片显示,纳米带内部的分子链全部指向同一个方向——纳米带的长轴方向。链与链之间的间距是0.34纳米,这正好是π-π堆积的典型距离。这种排列方式让电荷可以沿着一条直线前进,完全不用拐弯。


    (来源:《科学》)

    氢键是这里的关键角色。纳米带里的两条链通过质子桥连在一起,形成了双链结构。固体核磁共振结果显示,这些氢键非常强悍,质子化学位移到了18.5 ppm,这在有机体系里属于最强大的一档。正是这种强氢键把两条链牢牢固定在一起,让它们不再乱动。

    为了展示实际应用能力,研究团队用PDMS印章研发了一种纳米限域排列,把纳米带整齐地铺在基底上。平行方向的电导率达到了10200 S/cm,垂直方向却只有1800 S/cm。这个各向异性说明,大部分电荷确实是沿着分子链方向走的。

    远红外太赫兹光谱测到的迁移率大约是30 cm²/Vs,这是同类材料里最高的迁移率之一,已经接近一些无机半导体的水平。从无序的分子到整齐的纳米带,n-PBDF的分子链完成了一次惊人的自我整理,让电荷能沿着纳米带跑得更远。

    论文的共同通讯作者是梅建国和狄重安,共同一作是普渡大学的陈敏博士和中国科学院化学研究所的王东洋博士,原始数据已经在Zenodo上公开。


    (来源:《科学》)

    这项研究的深层意义在哪?梅建国表示,共轭聚合物科学自诞生以来就面临一个根本性挑战:对于柔软且无序的聚合物链,到底该如何支持接近有序无机材料的电子传输?此前大多数方法都试图在聚合物合成之后施加有序性,比如优化侧链、添加溶剂、加入添加剂、增加退火条件、使用外延生长和流动取向等。但共轭聚合物本质上是柔软的、构象灵活的,极易受到动力学捕获的影响,很难实现长程的结构连贯性,形成之后也很难保持持久。

    而聚合驱动自发组装的重要性在于,它可能改变问题本身的定位。在这项研究里,他们不再把聚合和组装视为孤立事件,而是提出这样一个观点:聚合物的生长、电子相互作用和结构组织,可以在合成过程中进行协同演化。在这种框架下,有序性不再主要来源于后处理或平衡结晶,而是在链生长的时候,通过限制构象无序的耦合分子相互作用,在聚合物形成过程中逐渐发展。这体现了一个微妙但具有潜在变革性的概念转变。


    (来源:《科学》)

    前面提到,这项研究以n-PBDF为中心展开。过去,n-PBDF凭借非常高的电导率和类金属的传输行为,已经引起学界广泛关注。而他们之所以让n-PBDF超越一般高性能材料,原因在于尝试解释了为什么这种异常传输会成为可能,并且发现聚合物形成的路径本身会逐渐引导并稳定这种有序性。

    长期以来,共轭聚合物科学领域一直挣扎于一种权衡:溶液加工所需要的分子柔性,往往会破坏高效电荷传输所需要的长程有序性。聚合驱动自发组装提出了一条绕过这一困境的途径——与其试图在合成之后消除无序,不如设计一条聚合路径,让动态的分子相互作用在聚合物生长过程中,将无序引向涌现的有序。

    梅建国表示,从这个意义上说,本次研究触及了一个超越聚合物电子学的更广泛科学主题。在生物学、软物质物理学和非平衡系统等领域,人们越来越认识到:复杂的有序往往不是从静态的平衡结构中涌现出来的,而是源自依赖路径的动态过程。聚合驱动自发组装的价值,在于将共轭聚合物置于一种关于涌现组织的、更宏大的知识图景之中。

    当然,梅建国也坦言,聚合驱动自发组装最终是否可以被广泛推广,依然是一个悬而未决的问题。共轭聚合物的发展历史告诉人们,要保持谨慎——许多令人兴奋的现象一开始看起来具有普遍性,后来却被证明是特定系统独有的。目前,只有在高度相互作用的聚合物子系统中,聚合驱动自发组装最为有效,但其影响仍然是巨大的。

    狄重安表示:“这项研究正好提供了迄今为止最清晰的证明之一——在那些溶液加工的有机材料以前难以达到的长度尺度上,聚合物的生长路径确实能够编码结构和电子的有序性。”

    纵观高分子发展历史,共轭聚合物科学经历了一系列概念转变。第一次转变是发现聚合物居然可以导电;第二次转变是认识到分子结构决定了半导体行为;第三次转变是理解了形态和链连接性对传输起着决定性作用。本次研究可能代表了第四次转变——它让人们认识到,共轭聚合物中的有序性能够在生长过程中被编程。如果未来能够证实和推广这些观点,聚合驱动自发组装将不仅仅是n-PBDF特有的机制,它可能帮助定义新一代过程定义的电子材料。在这些材料中,合成、组装和电子等功能将作为一个耦合现象共同涌现。

    梅建国强调,本次研究不仅在于实现了高电导率,更在于它深刻暗示着:在软电子物质中,有序性也许不是在克服无序中产生的,而是通过无序孕育产生的。

    当然,这项来自实验室的突破跟商业应用之间还有一定距离。纳米带的生长条件需要进行精确控制,大面积制备和稳定性的问题仍需要进一步解决。

    参考资料:

    相关论文https://www.science.org/doi/10.1126/science.aef1777

    本站声明:本文内容由网友自发贡献,版权归原作者所有,本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容,请联系bd@zhengruan.com
    作者最新文章
    硬件相关 科学家
    相关文章 更多
    精品专题 更多
    装机必备

    正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

    Windows

    正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

    PDF教程

    正软商城PDF教程频道提供PDF编辑、转换、合并、拆分、压缩及格式处理方法,同时介绍常用PDF软件和工具的使用技巧。

    macOS软件

    正软商城macOS软件专区,精选适用于Mac电脑的办公、设计、影音、效率、开发和系统工具,提供软件功能介绍、macOS兼容版本、正版授权及购买下载服务。

    IOS软件

    正软商城iOS软件专区,精选适用于iPhone和iPad的办公、学习、影音、设计、效率及AI应用,提供功能介绍、适用设备、系统要求和正版获取方式等信息。

    AI

    正软商城AI软件专区,汇集AI写作、AI绘画、AI视频、AI办公、AI编程、AI翻译、智能客服和数据分析等人工智能工具,提供功能介绍、适用平台、收费方式及正版购买信息。

    Mac软件 更多
    讯飞智作 网页版
    讯飞智作 网页版

    讯飞智作是一款基于语音合成技术、虚拟人驱动技术与数字人形象声音构建能力的 AI 数字人音视频创作平台。

    火山引擎 网页版
    火山引擎 网页版

    火山引擎是字节跳动旗下企业级云与AI服务平台。聚焦大模型核心能力,依托字节自研豆包多模态大模型,凭借火山方舟一站式平台,提供模型精调、推理部署、智能应用搭建等全链路服务,结合高性能AI算力,助力各行业快速落地大模型数字化与智能化应用。

    Aperty macOS版
    Aperty macOS版

    Aperty 是 Skylum 推出的 AI 人像修图软件,支持自然肤质修饰、瑕疵处理、面部与身体调整、预设及批量同步。

    立刻MV 网页版
    立刻MV 网页版

    立刻MV 面向音乐人、内容创作者和品牌团队,帮助用户低成本完成歌曲 MV、歌词视频、AI 分镜、图生视频与最终合成。

    蛙蛙写作 网页版
    蛙蛙写作 网页版

    蛙蛙写作 AI 创作工具,覆盖小说、剧本、文案,一键生成文稿,打通文字转视频全流程,高效解决创作难题。

    超级简历WonderCV 网页版
    超级简历WonderCV 网页版

    超级简历WonderCV是面向应届生和AI小白的智能求职平台,覆盖简历、面试与职业规划。

    音述AI 网页版
    音述AI 网页版

    音述AI,是一个以“用声音述说故事”为核心的 AI 音乐创作与声音分享社区。

    AionClaw macOS版
    AionClaw macOS版

    AionClaw 是可在桌面端运行的任务型 AI 助手,通过数字专家与技能市场组合办公、创作、数据和开发能力。

    Loomy macOS版
    Loomy macOS版

    Loomy 是科大讯飞推出的桌面 AI 助手,可通过对话、任务与工作目录协助处理办公、内容创作和资料整理。

    AirBuddy 3 macOS版
    AirBuddy 3 macOS版

    AirBuddy 3 是面向 macOS 的蓝牙外设增强工具,可集中查看 AirPods、Beats 与苹果设备电量,提供快速连接、播放控制、电量提醒、桌面小组件和多台 Mac 外设接力等功能。

    AirServer macOS版
    AirServer macOS版

    AirServer macOS版可把 Mac 转换为无线投屏接收端,通过 AirPlay 或 Google Cast 接收手机、平板和电脑画面,并支持多设备同时连接、高清镜像及会话录制,适合家庭娱乐、课堂教学、会议演示和应用展示。

    AnyDesk macOS版
    AnyDesk macOS版

    AnyDesk macOS版是一款适用于远程办公、设备维护和客户支持的远程桌面工具,可连接并操作异地计算机,支持文件传输、无人值守访问、会话权限控制及跨平台协作。

    WINDOWS 更多
    讯飞智作 网页版
    讯飞智作 网页版

    讯飞智作是一款基于语音合成技术、虚拟人驱动技术与数字人形象声音构建能力的 AI 数字人音视频创作平台。

    火山引擎 网页版
    火山引擎 网页版

    火山引擎是字节跳动旗下企业级云与AI服务平台。聚焦大模型核心能力,依托字节自研豆包多模态大模型,凭借火山方舟一站式平台,提供模型精调、推理部署、智能应用搭建等全链路服务,结合高性能AI算力,助力各行业快速落地大模型数字化与智能化应用。

    PixTV 网页版
    PixTV 网页版

    PixTV 是一款在浏览器中使用的 AI 视觉内容创作平台,提供图片、视频、音频、文字生成、AI 分镜、局部重绘、提示词反推和无限画布等工具,适合短剧、漫剧、广告及社交媒体内容制作。

    讯飞绘文 网页版
    讯飞绘文 网页版

    讯飞绘文网页版是科大讯飞推出的AI图文创作与内容运营工具,覆盖热点选题、文章生成、稿件校对、智能配图、排版发布和数据复盘等环节,适合自媒体创作者及内容团队在线使用。

    Maya(Autodesk Maya) Windows版
    Maya(Autodesk Maya) Windows版

    Autodesk Maya 是面向影视、电视、动画和游戏行业的专业三维制作软件,集多边形与 NURBS 建模、角色绑定、关键帧和动作捕捉动画、Bifrost 特效模拟、材质开发及 Arnold 渲染于一体,

    Aperty Windows版
    Aperty Windows版

    Aperty 是 Skylum 推出的 AI 人像修图软件,支持自然肤质修饰、瑕疵处理、面部与身体调整、预设及批量同步。

    立刻MV 网页版
    立刻MV 网页版

    立刻MV 面向音乐人、内容创作者和品牌团队,帮助用户低成本完成歌曲 MV、歌词视频、AI 分镜、图生视频与最终合成。

    蛙蛙写作 网页版
    蛙蛙写作 网页版

    蛙蛙写作 AI 创作工具,覆盖小说、剧本、文案,一键生成文稿,打通文字转视频全流程,高效解决创作难题。

    超级简历WonderCV 网页版
    超级简历WonderCV 网页版

    超级简历WonderCV是面向应届生和AI小白的智能求职平台,覆盖简历、面试与职业规划。

    音述AI 网页版
    音述AI 网页版

    音述AI,是一个以“用声音述说故事”为核心的 AI 音乐创作与声音分享社区。

    AionClaw Windows版
    AionClaw Windows版

    AionClaw 是可在桌面端运行的任务型 AI 助手,通过数字专家与技能市场组合办公、创作、数据和开发能力。

    Loomy Windows版
    Loomy Windows版

    Loomy 是科大讯飞推出的桌面 AI 助手,可通过对话、任务与工作目录协助处理办公、内容创作和资料整理。