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《Nature》:新材料的未来—从OLEDs到柔性电子|听鲍哲南等讲诉

发布时间:2020-02-11 访问次数:359次 来源:高分子科学前沿 分享:

60年代,年轻人谋求事业的时候,一个明智的选择是“塑料行业”,这一幕正如电影《毕业生》中所描述的那样。到了今天,可能是“OLEDs”或者“纳米材料”。再过20年,可能是“石墨烯”或者“拓扑材料”。

寻求可以商业大规模应用的新材料是科学研究的最高追求。新材料有着明确的应用,强大的市场,并且是物理学科中跨越最多的学科之一。即便如此,这些年来的新发现也非常有限。OLEDs和石墨烯从新生材料中崛起,但是大多数材料只是停留在文献中。

有机太阳能电池等技术的突破提高了可再生能源的转化率

商业应用的收益也是相当可观的,在合适的地点、合适的时间出现的新材料可以启动数十亿美元的产业。以橡胶之父Charles. Goodyear为例,1839年,他将硫磺与天然橡胶混合,发明了硫化橡胶,催生了大量具优异抗拉强度和弹性的新型橡胶制品。橡胶轮胎代替了笨重的铁轮,推动了汽车工业的发展。并且橡胶轮胎提高了行驶过程中的平稳性,也推动了第一辆汽油动力汽车的诞生。就近期来说,制造智能手机、可穿戴医疗设备、可再生能源和新型飞机的全球性产业正从材料科学领域蓬勃发展。

近几年最激动人心的进展:人工智能+材料

人工智能可能是我们这个时代的Charles. Goodyear。机器学习技术正被用于梳理已发表的研究成果,发掘已经发现但被遗忘的材料,并预测尚未存在的新材料的特性,代替了研究领域所依赖的试错法。美国国家标准与技术研究所的物理学家詹姆斯·沃伦表示,在这个充满活力的领域,这是近年来最激动人心的进展之一。James Warren是材料基因组计划(MGI)的负责人,MGI是美国政府在2011年建立的一个多机构项目,关于材料及其特性的数据库是对研究人员开放的,希望能够将这些期刊中的材料转化成潜在的产品,James Warren表示:“MGI的意义就在于填补这一空白”。他还表示,在短短几年内,人工智能也许能达到这样的高度:你“告诉“电脑,想要制造一种具有一定存储容量、寿命和成本的电池,然后电脑会给出实现这一目标所需材料的最佳组合

以OLED为例,实验室里没有市场!新材料从出现到对生活产生影响需要数十年。全球的OLEDs市场在2017年达到194.5亿美元,预计到2026年会增长至817.6亿美元。但是,电视上的OLEDs与20世纪50年代末首次利用有机材料发光的实验相比,简直是天壤之别。密歇根大学安阿伯分校的物理学家Stephen Forrest因发明了磷光OLEDs而闻名。1994年,总部位于新泽西的通用显示器公司成立,开发基于OLEDs的显示器。该公司目前在NASDAQ的市值超过90亿美元,在全球范围内拥有超过5,000项已发行和未发行的专利,在美国、中国、韩国、日本和英国都设有办事处。Forrest说:“在成立之初,我们拥有的技术对市场不具备特别的吸引力。市场和实验室都出现了一些问题,就像爆炸一样,而现在我们有一个200亿美元的基于OLEDs的全球显示市场。”Forrest在他的研究基础上还协助建立了几家公司,涉及的领域包括比硅电池更轻、韧性更好的有机太阳能电池,以及用于红外成像的铟镓砷探测器。但这不仅仅是创造一种新型材料然后创建公司的简单问题。他表示:“你必须解决人们感兴趣的实际问题,而不能通过实验室的工作来创造市场。排在前五的企业-学术界合作

柔性电子加州斯坦福大学从事纳米材料和柔性电子器件(包括有机半导体和碳基电路)研究的化学工程师鲍哲南说,企业常说,一种材料从实验室转移到市场至少需要10年时间。2010年,她的实验室创立了C3纳米公司,这是一家生产基于银纳米线的柔性透明电极的公司。她说,这种技术正在中国的一些可折叠显示屏和手机上使用,可能很快就会推广到其他地方。自从20年前她在贝尔实验室(现在归诺基亚所有)工作以来,她一直致力于可折叠显示屏的研究,这种显示屏可以在给定的空间里容纳更大的手机屏幕。

一种可测量心率和呼吸频率的黏贴式柔性可穿戴传感器她的重点已经扩展到开发可穿戴传感器(这种传感器可以附着在皮肤上,跟踪脉搏和其他健康指标)和电子皮肤(一种灵活、透明的材料,由具有导电层的自愈合硅树脂制备。它可以感知压力,并通过电子人造神经向大脑发送电信号。)

鲍哲南斯坦福大学的鲍哲南受皮肤的启发,将可穿戴电子设备提升到一个全新的水平——柔韧、有弹性、不显眼。2019年8月,她和她的团队详细介绍了一种贴纸形式的可穿戴传感器。它可以测量心率和呼吸频率,并通过可弯曲的天线和射频识别标签将信息传输到夹在穿戴者衣服的接收器上。该工作发表在Nature Electronics (S. Niu et al. Nature Electron. 2, 361–368; 2019),是鲍哲南与韩国企业集团三星(Samsung)及其内部实验室三星高级技术学院长期合作的最新里程碑。鲍哲南团队与三星在碳纳米管方面合作了10年,2014年,她提出了可拉伸电子产品的想法。这些不仅仅是具有灵活关节的刚性元件,它们被概念化为皮肤状的、自然可拉伸的材料。这是之前工作的延续,因为碳纳米管可以被囊括到这样的材料中。三星签约。它与鲍哲南及其他人的合作已成为Nature Index最具成效的国际企业与学术合作之一。鲍哲南称财政支持是“实质性的”。几十年来,三星一直在资助韩国大学的研究,并直接收购了韩国顶尖大学之一成均馆大学(Sungkyunkwan University),该校在首尔和水原都设有分校。三星通过对所有研究人员开放的全球研究推广计划在全球范围内资助研究。在可拉伸材料合作的早期阶段,三星为材料的导电性设定了性能目标,这是设计可行产品所必需的。鲍哲南承认,一开始她认为这是不可能的,她说:“但这种不可能的目标可以让我们更有创造力”。其他正在开发电子皮肤的材料研究人员还包括新加坡国立大学的本杰明·蒂和纽约州立大学布法罗分校的任申强。二维材料石墨烯可能成为鲍哲南团队电子皮肤所需的柔性电子元件的重要组成部分。自2004年首次分离出这种材料以来,其独特的特性一直令科学家们着迷。石墨烯是单原子碳层,强度比钻石大,是所有已知材料中电子迁移率最高的材料,波长从紫外线到远红外,光透过率都超过97%。这些属性可能大有用处,但到目前为止,还没有人能提出一个对市场有较大影响的应用领域。Grand View Research表示,2017年全球石墨烯市场仅为4300万美元,主要用于柔性电子产品的防护涂层等应用。然而,石墨烯的发现促进了对其他二维材料的研究——元素或化合物的原子薄层。当为计算机提供动力的晶体管在物理上无法变得更小时,这些可能是克服摩尔定律极限的关键所在。福雷斯特说,能够比硅更快地移动电子的材料将是保持计算能力不断增长的必要条件。量子计算、拓扑材料量子计算是一项基于量子力学定律的新兴技术,它可能会受益于一种新兴的拓扑材料,这种材料的电子结构赋予其不同寻常的属性。例如,拓扑绝缘体在其表面导电,但阻止电流通过其本体。谷歌最近展示了Sycamore,一台拥有53个量子比特的计算机,它在仅仅三分钟内完成了一次测试计算,而同样的工作量,一台满负荷运行的超级计算机则需要更长的时间才能完成。。然而,要真正制造出一台实用的量子计算机,需要成千上万的量子比特。拓扑材料可以创造出一种技术,将其转化为现实。前五名企业机构3D打印

增材制造,也被称为3D打印,是另一个在过去几年里因材料进步而占据主导地位的领域。3D打印技术最初被开发出来时,主要是通过激光将粉末转化成固体,或通过喷嘴挤出热塑料来制作各种工具的原型。从那以后,研究人员学会了如何使用各种材料,包括金属和导电塑料,来制造产品的零部件。例如,波音公司正在寻求一种成本更低的方式来制造飞机零部件,并投资了3D打印公司。2018年,这家美国航空业巨头将资金投入了马萨诸塞州的Digital alloy公司,该公司拥有一项技术,可以将不同类型的金属打印在一起,以提高它们的机械性能或热性能。位于明尼苏达州梅普伍德的企业研究实验室副总裁格雷格•安德森表示,3M(跨国制造企业集团)对新兴的材料创新非常感兴趣。该公司生产从透明绷带到便利贴等各种产品。但人们通常会问,一项创新能否带来一个新的平台,而不是单一的产品。我们可以通过3D打印技术带来一系列的产品,而不是利用3D打印制造的一个小部件。评论Anderson解释说,尽管创新型产品有巨大的潜力,但新材料有永远不能迎合市场的风险。因此,许多公司喜欢一步一步地,比如通过资助学术研究和资助大学附属项目的方式,评价新型技术是否值得更大的投资。他说:“我们赞助研究,帮助我们降低风险。我们花一点钱与大学合作,推进科学,看看这项技术有多可行。”鲍哲南说:“在学术界,我们可以梦想一些真正伟大的事情。我们可以做类似科幻小说的研究。而其中一些想法可以变成现实,这取决于公司和他们的创造性思维,即如何利用我们所发明的不可思议的材料。”原文链接:

https://www.nature.com/articles/d41586-019-03764-1

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