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新型丝绸材料:能形成可擦除的高分辨率褶皱图

2019-10-09 11:45

导读


据美国塔夫茨大学官网近日报道,该校研究人员开发出的丝绸材料可褶皱成非常精细的图案,例如单词、纹理以及像二维码和指纹一样错综复杂的图像。这些图案大约一秒就能形成,并能保持稳定,但是可以用大量的水蒸汽冲洗丝绸表面来擦除。


背景


与新兴技术融合,是未来纺织品发展的重要趋势之一。传统纺织业与电子技术、制造技术、传感器技术、通信技术、材料技术等新兴科技的融合发展,产生出一系列智能织物。




弹性触敏纤维可作为人机接口使用(图片来源:北卡罗来纳州立大学)




能自供电、高度灵敏、可洗涤的智能织物(图片来源:美国化学学会)




可同时从阳光和运动中获取能量为智能手机等电子产品供电的智能织物(图片来源:乔治亚理工学院)




可洗涤、无需外部电源、基于织物的可穿戴显示模块(图片来源:KAIST)


创新


近日,美国塔夫茨大学的研究人员开发出的丝绸材料可褶皱成非常精细的图案,例如单词、纹理以及像二维码和指纹一样错综复杂的图像。这些图案大约一秒就能形成,并能保持稳定,但是可以用大量的水蒸汽冲洗丝绸表面来擦除。因此,研究人员可以“逆转”这个“印刷品”并再一次“印刷”。


在一篇于10月7日发表在《美国科学院学报(Proceedings of the National Academy of Sciences)》的论文中,研究人员们演示了丝绸褶皱图案,并憧憬着光学电子器件领域的广泛潜在应用。


技术


这种智能织物利用了丝纤维蛋白(丝蛋白)的天赋来响应外部条件,比如暴露在水蒸气、甲醇蒸气和紫外线辐射中,产生结构变化。水蒸汽和甲醇蒸气可渗入到纤维中,干扰丝蛋白中的氢键交联,使之部分瓦解,并释放纤维中的张力。研究人员们利用这一性质,通过将溶解的丝蛋白沉积到塑料薄膜(PDMS)上制造出一个丝绸表面。在一个加热和冷却的周期之后,由于每一层具有不同的机械特性,丝绸/PDMS双层的丝绸表面形成了具有纳米纹理的褶皱。


将褶皱的表面暴露在水蒸汽或者甲醇蒸汽中,会使纤维变松弛,褶皱变平整。光滑的表面可以传递逾80%的光线,而褶皱的表面仅允许20%以下的光线通过,创造出一种可见的对比度和一种印刷图案的感觉。这个表面可以采用一个带图案的掩膜,选择性地暴露在水蒸汽中,从而在带纹理的丝绸中生成匹配的图案。图案也可以通过喷墨打印技术沉淀水来创造。这种打印技术的分辨率由掩膜本身的分辨率或者喷墨打印机的喷嘴直径来决定。


或者,采用紫外线创造虚拟掩膜。丝绸表面受到紫外线照射的部分,变得不易渗入水和甲醇,在受到蒸汽处理时保持褶皱;而其他没有受到紫外线照射的部分会吸收蒸汽,并变得平整。印刷成的图案反映出照射丝绸表面的紫外线图案。


在通过水蒸汽擦除图案之后,褶皱的丝绸可经过一个加热和冷却的周期重新生成。论文作者们演示了经过至少50个周期打印图案而不会减弱对比度或分辨率的能力。


价值


塔夫茨大学工程学院博士后研究员、这项研究的第一作者 Yu Wang 表示:“我们能在丝绸中打印分辨率非常高的图案,并且展示了我们能够提取指纹留下的水分图案。但除了可逆印刷的新颖性之外,丝绸图案化技术还可以提供许多其他实用的用途。”


Wang 指出的一系列潜在应用包括具有可调谐光学特性的材料(其中一些可能涉及采用掺杂物使带图案的织物吸收或者发射不同波长的光线和能量,或者从特定角度才能看到图案)以及可调整热学特性的材料(这些材料可以改变通过它们的热量)。


这项研究也演示了,如何通过将双层连接至一个小型电气加热单元,在有无褶皱的状态之间转变丝绸,从而任意打开或者关闭图案。


如下图所示:向连接丝绸双层的加热单元施加电压,使材料上的图案消除(左)。切断电压,使材料冷却并出现高分辨率的褶皱图案(右)。




(图片来源:塔夫茨大学)


塔夫茨大学工程学院教授、论文通讯作者 Fiorenzo Omenetto 表示:“因为这项技术用途广泛且易于制造,我认为我们和其他研究人员未来将会提出我们目前还没有想到的许多应用。”


关键字


智能织物、紫外线、印刷


参考资料


【1】Yu Wang el al., "Controlling silk fibroin conformation for dynamic, responsive, multifunctional, micropatterned surfaces," PNAS (2019). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1911563116


【2】https://now.tufts.edu/news-releases/new-silk-materials-can-wrinkle-detailed-patterns-then-unwrinkle-be-reprinted