纳米技术的研究导致用于人工肌肉、传感器的超弹性导电纤维

设在得克萨斯大学达拉斯分校的一个国际研究小组已经制的导电的、可逆拉伸超过初始长度14倍的纤维，并且拉伸时其电导率增加200倍。

该研究小组正在使用该新型纤维制造人造肌肉以及电容器，当纤维被拉伸电容器的能量储存能力将提高十倍左右。由该发明衍生的光纤和光缆可能有一天会被用作超弹性电子电路的连接线; 该技术正在大量的应用在机器人和外骨骼、变体飞机、巨范围应变传感器、无故障起搏器导线和用于电子设备的超弹性充电器电线。

在7月24日发表在科学杂志上的一项研究中，科学家们描述了他们如何通过包装轻于空气的、导电的微小碳纳米管片，来构建这种果冻卷状鞘包围长的橡胶核结构的纤维。

新的纤维与传统的材料在几个方面有所不同。例如，当传统的纤维拉伸时，其长度的增加和横截面积的减小限制了电子流通过材料。但即使是“巨大”的拉伸，也不会导致新的导电壳芯纤维的电阻值发生明显变化，达拉斯德州大学Alan G. MacDiarmid纳米技术研究所主任和该论文的资深作者Ray Baughman博士说。

新导电弹性纤维性能的关键是将屈曲引入到碳纳米管片中。因为当片层缠绕在其周围，橡胶芯将沿其长度伸展，当被包裹的橡胶松弛，碳纳米纤维形成复杂的屈曲结构，其允许纤维的反复拉伸。

 “想想当手风琴被压缩时发生的屈曲，其使得手风琴的弹性材料可伸缩，” 达拉斯德州大学Robert A. Welch杰出化学系主席Baughman说。

 “我们通过调节大扣环与小扣环，使得我们核壳纤维的弹性碳纳米管鞘可超强拉伸，这样两种类型扣环的延伸都可以促进其弹性。即使施加巨大的拉伸，这些惊人的纤维仍保持相同的电阻，因为电子可以像穿越笔直壳层一样简单的穿越这样的分级扣环壳层。”

Zunfeng Liu博士，该工作的主要作者和纳米技术所研究助理说，该核壳纤维的结构“有进一步的趣味和重要的复杂性。”扣环不仅在纤维的长度上形成，也绕其周边形成。

 “在纤维伸展时纤维周长的收缩导致其周围第二种可逆的分级屈曲，即使在纤维方向屈曲暂时消失，”刘说。 “这种新颖的两个维度屈曲的组合避免了纳米管和橡胶芯方向不对准，使壳 - 芯纤维的电阻对伸展不敏感”。

通过在核壳纤维上加入一个薄的橡胶涂层，然后再加上另一个碳纳米管鞘，研究人员制成了应变传感器和人造肌肉，其中扣环碳纳米管护套充当电极，薄橡胶层是电介质，从而形成纤维电容。当纤维被拉伸950％左右，这些纤维电容器表现出860％的电容变化。

 “目前没有基于可用材料的应变传感器可以在几乎一样大的应变范围内工作，”刘说。在这些双鞘纤维中加入扭转力可以形成快的、电动扭转的 - 或旋转 - 人工肌肉，可能用于旋转光学电路的镜子或在微型装置中抽取液体用于化学分析的，纳米技术研究所副研究员和论文的作者Carter Haines （BS'11, PhD'15）说。

在实验室里，纳米技术研究所副研究员Nan Jiang证明了导电弹性体可根据橡胶芯的尺寸，在直径范围从非常小- 约150微米，到人类头发宽度的两倍 – 或更大的尺寸范围内进行制造。 “个别小纤维也可组合成大捆和像纱或绳一样捻合在一起，”她说。

 “这项技术能很好地适合于迅速商业化，”该论文的一个作者、美国纳米科学与技术中心的琳得科公司首席研究员和知识产权战略家Raquel Ovalle-Robles博士 （MS'06 PhD'08）说。 “用于这些核壳纤维的橡胶核价格低廉，容易获得，”她说。 “唯一独特的组件是用于纤维鞘层的碳纳米管气凝胶片”。

去年，达拉斯德州大学授权给美国琳得科公司一个Baughman团队开发的工艺用于将碳纳米管改造为大型结构，如板材。琳得科在得克萨斯州理查森开设了他们的纳米科学与技术中心，距达拉斯德州大学校园不到5英里，来制造碳纳米管气凝胶薄片用于多种应用。

新材料在线编译整理——翻译：王晶晶   校正：摩天轮