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圖1. 一維彈性導(dǎo)體的獨特性能以及廣泛應(yīng)用

  鑒于此，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院周劍副教授團隊基于纖維層面，對實現(xiàn)一維彈性導(dǎo)體的可拉伸性和導(dǎo)電性的制造方法與形成機理進行深入探究，并總結(jié)了目前可穿戴織物的研究前沿以及對未來發(fā)展的期待與展望。文中重點總結(jié)了纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計實施策略（共軸，屈曲，斷裂等）以賦予一維導(dǎo)體良好的可拉伸性以及電阻穩(wěn)定性；同時從材料選擇的角度，文中涉及基于導(dǎo)電高分子、碳基納米材料、液態(tài)金屬，以及水凝膠、氣凝膠材料，極大拓寬了可穿戴材料領(lǐng)域?qū)τ诓牧线x擇的認知，對日后開發(fā)新型一維導(dǎo)體指明了前進方向。文章以“Stretchable One-Dimensional Conductors for Wearable Applications”為題，2022年12月在線發(fā)表于期刊《ACS Nano》。

圖2. 不同結(jié)構(gòu)的一維彈性導(dǎo)體示意圖

圖3. 賦予一維彈性導(dǎo)體高拉伸性的策略

  導(dǎo)電材料可大體通過六種策略賦予其良好的拉伸性能（圖3）。對于一些本征一維彈性導(dǎo)體，形成二維或三維螺旋結(jié)構(gòu)可賦予纖維特定的拉伸性能，并在施加以及釋放應(yīng)力時保持電阻的穩(wěn)定性（圖3-a）；對于導(dǎo)電納米復(fù)合材料，是將導(dǎo)電納米材料均勻填充到彈性基質(zhì)中，纖維導(dǎo)電性與導(dǎo)電填料的本征電導(dǎo)率以及填料與非導(dǎo)電基質(zhì)的復(fù)合態(tài)有關(guān)（圖3-b）；碎片化通常指裂紋的倍增，在可控狀態(tài)下會對材料整體力學(xué)和電學(xué)性能產(chǎn)生影響，通過拉伸時產(chǎn)生的高密度裂紋，剛性材料（如碳納米管）在彈性體內(nèi)的拉伸性能顯著提高，且這些裂紋可形成無接觸損耗的導(dǎo)電通路（圖3-c）；共軸結(jié)構(gòu)是賦予一維彈性纖維拉伸性及電阻穩(wěn)定性的一種有效策略，對于本征剛性的導(dǎo)體芯材，可采用預(yù)拉伸的方式在卸下應(yīng)力后形成屈曲結(jié)構(gòu)，這樣在纖維之后的拉伸過程中，屈曲結(jié)構(gòu)將得以釋放，從而賦予了纖維良好的拉伸性和電阻穩(wěn)定性（圖3-d）；而對于液態(tài)金屬，由于其在受到形變時不儲存機械力，在拉伸過程中液態(tài)金屬在彈性管中的流動會導(dǎo)致纖維導(dǎo)電性沒有大的損失，因此可作為具有超高電導(dǎo)率及拉伸性一維導(dǎo)體的填充材料（圖3-f）；加捻是一種制造紗線的簡易而又經(jīng)典的方案，通過纏繞或過度纏繞可產(chǎn)生另一層級上的纏繞結(jié)構(gòu)，同樣可賦予纖維更高的拉伸性以及更優(yōu)異的電阻穩(wěn)定性（圖3-e）。

  盡管一維導(dǎo)體及其應(yīng)用取得了令人鼓舞的進展，但可拉伸一維導(dǎo)體或設(shè)備原型仍處于成長和發(fā)展的早期階段。在它們能夠被大規(guī)模生產(chǎn)并完全集成到實際設(shè)備中之前，必須克服科學(xué)、工程和安全挑戰(zhàn)。提出目前的挑戰(zhàn)和探索可拉伸-維導(dǎo)體的方向是很有必要的。這就要求金屬級的導(dǎo)電性、大變形下的結(jié)構(gòu)或功能一致性、 長時間的耐久性、與紡織技術(shù)的整合、舒適性、可擴展性、安全性和成本效益。

  文獻鏈接：Stretchable One-Dimensional Conductors for Wearable Applications. 

  https://doi.org/10.1021/acsnano.2c08166

中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院周劍團隊介紹

  研究方向：先進電子與纖維材料

  研究興趣：有機/無機半導(dǎo)體的合成制備及應(yīng)用研究；先進纖維及織物電子的設(shè)計與應(yīng)用研究；植物資源固廢轉(zhuǎn)化與應(yīng)用研究；氣凝膠新型制造方法及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究；柔性電子技術(shù)與健康醫(yī)療

  團隊現(xiàn)有特聘副研究員1名，博士后3名，碩士5名。團隊擁有完善的材料合成與表征實驗室、材料加工與器件等實驗室，中山大學(xué)東校園化學(xué)與材料綜合樓中團隊科研場地面積超120平方米。現(xiàn)已配置微型高分子合成反應(yīng)釜，導(dǎo)電高分子液相和氣相合成裝置、冷凍干燥機、超臨界干燥設(shè)備、真空手套箱、勻膠機、多通道溫度采集系統(tǒng)、四探針表面方阻儀、新型離心紡絲機、小型及中試濕法紡絲機、納米纖維素提取分離系統(tǒng)、激光雕刻切割機、真空管式爐、萬能拉力機等實驗設(shè)備與儀器。 

  團隊與國內(nèi)外多個課題組，包括美國加州大學(xué)戴維斯分校，加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)（UBC），澳大利亞迪肯大學(xué)、沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)（KAUST）、中科大、四川大學(xué)等建立了密切合作關(guān)系，在國際交流中形成了良好的學(xué)術(shù)生態(tài)環(huán)境。

  本課題組長期招聘具有材料、化學(xué)、物理、機械、電子等背景的本科生、碩士、博士后、特聘副研究員、特聘研究員和國內(nèi)外訪問學(xué)者來進行學(xué)習(xí)與研究。現(xiàn)有新型有機/無機半導(dǎo)體的合成制備、植物資源固廢轉(zhuǎn)化與應(yīng)用、高性能纖維與氣凝膠材料, 鋰電池軟包鋁塑膜等方向的博士后需求。

  課題組主頁：

  https://mse.sysu.edu.cn/teacher/126

  https://www.x-mol.com/groups/zhou_jian