一月新闻排行

谢涛:没有变形就没有世界【科学900秒系列】

发布时间:2017-03-14来源:浙大科学+++作者:谢涛浏览次数:688

谢涛,浙江大学化学工程与生物工程学院教授,国家千人计划特聘专家。1993年本科毕业于浙江大学化学系,2001年获美国马萨诸塞大学高分子系博士学位。2001年至2013年先后任职于美国通用汽车公司及休斯实验室,2013年全职回国工作,2016年获国家杰出青年科学基金资助。从事多功能智能高分子的基础及应用研究。近期研究工作发表在Nature,Science Advances,Advanced Materials等期刊。拥有超过70项国内外专利。多项研究工作被Nature,Science,麻省理工技术综述,华尔街日报等报道。曾获美国Conte国家高分子研究中心杰出研究奖,2011年美国制造工程师协会年度创新奖及2013年全球百大研发成果奖(R&D100 奖)。目前担任美国化学会ACS Applied Materials& Interfaces副主编。

  

科学900秒-实录  

老师能够跟一帮年轻的有活力的学生在一起,这是一个很大的幸运。今天我借这个机会向大家介绍智能变形高分子,分享我们课题组的一些研究。  

首先,大家可能会问一个问题,你们为什么对变形材料感兴趣?首先是好奇心,我们看看周围生活的大自然,实际上遍布着很多的变形现象,包括太阳花随着阳光转动,捕蝇草的快速闭合以及含羞草的触觉响应。很重要的一点是这些变形现象它不是漫无目的的,实际上变形带来的相关功能是这些植物生存的必要条件。这些现象给我们的启示是:有没有可能从合成材料的角度,去制备很多具有奇妙变形行为的材料,并且把它用到我们的生活中,来解决我们人类生存的一些重大问题。事实上变形材料在很多重大领域已经展现了很好的应用前景,比如说在航空航天方面,美国空军多年来一直致力于将变形材料用于设计变形飞机及多功能微型飞行器。在生物医学方面,变形材料也可以用到脑神经电极、人工晶状体以及心血管支架等方面,例子很多,我就不一一列举了。  

变形+3D打印

具体到我们自己的研究,我们近期做出了一个尝试,是将变形和3D打印结合起来,3D打印大家都不陌生,应该说这是一项未来有可能影响我们生活方式的技术。但是它现在也还存在一系列的问题,最突出的两个问题,一个是打印速度慢,二是材料变形的多样性,材料性能以及多样性都非常受限。究其原因是因为传统的3D打印都依赖于非常耗时的材料层层堆积。那么有没有可能不用层层堆积呢?  

这是一个典型的二维平面,如果我要把它变成三维形状其实可以非常简单、方便,而且不费时。

当然,这种三维形状太过简单,能否用类似的机理得到复杂的三维形状呢?这是我们最近做出的一个自认为还有点意思的尝试,我们把它叫作新型超快速数字化制造技术,我们没有把它叫三维打印,因为它和现在的三维打印非常不一样。仪器非常简单,只需要一个商用的投影仪,我们在两片玻璃之间加入了可以光固化的液体,通过电脑控制这个投影仪,在这个液体上的每一个像素点,是否照光以及光照的强度我们都可以独立控制。这样光固化出来的一张膜,表面上看起来很平,但实际上因为它的每一个像素点都不一样,它里面有很多的应力,如果我把这张膜放到水里,应力就会释放出来,这张平膜就能变成一个形状高度可控的3D形状,利用这个方法也可以制作各种复杂的形状,比如说这些,还有类似悉尼歌剧院的形状。

另外,通过光固化液体的选择,我们也可以很方便地在三维形状中引入变形行为,使得做出来的三维形状可以在外界条件变化的情况下,能够产生可逆的形变,这也是我们通常所说的,除了3D之外的随着时间第四维度变化的4D打印。同样的,通过这个光固化液体的选择,我们也可以使得打出来的平模在熔融的石蜡里面显影,实际上整个过程非常类似于照相。照相分两个步骤,一个是拍照,一个是显影,只不过我们显影的过程显出来的是一个3D形状。这里我们通过不同材料的选择,使得显影可以在熔融的石蜡里面产生,而得到具有形状记忆功能的类石蜡材料,整个打印过程只需要4秒钟,这种材料未来有可能能用到石蜡锻造里面,用来制备一些具有复杂形状的金属器件。  

变形+柔性电子

这里说到形状记忆高分子,实际上是一种能够记忆临时形状,并且在加热条件下恢复到原始形状的一类材料,这类材料并不新,多年以来他们已经在包装行业得到了很广泛的工业应用。这里举出的例子是热缩管和热缩标签,因为时间限制我就不具体介绍,但是我们所关心的一个问题是我们有没有可能用这种性能,来做一些全新的应用尝试。柔性电子我估计大家可能都听说过,但是大家可能不知道的是柔性电子可以分成两种,一种是可弯曲电子、一种是可拉伸电子,区别在哪里呢?大家想一下,一张纸是可以任意弯曲的,但是它没有办法像一块橡胶一样可以任意的拉伸,可拉伸电子和可弯曲电子相比,它有更多强大的功能,但是它的制造也非常的难。在制造过程中,首先是把这些微型化的电子器件给沉积在硅片上,但难的是怎样将这些微型器件从这个又薄又脆的硅片上面剥离下来,并且非常高效地把它放到一块可以拉伸的橡胶基体上,这个过程我们把它叫作转印。最近,我们利用具有黏附性能的形状记忆高分子实现了一个智能化的高效柔性电子转印。在形状记忆高分子表面引入了很多尖锥结构,尽管这个形状记忆高分子它是有黏附性能的,但是由于这个尖锥的存在,它接触不好,所以实际上是属于非黏附状态。但是我们可以利用它的形状记忆功能改变尖锥结构,这时候就可以产生非常强的黏附,从而把电子器件从机体上剥离下来。剥离下来仅仅是这个过程的一半,另外一半实际上也很难,但是因为我们用的形状记忆高分子,就可以把这件事情变得简单,我们把它剥离以后放到机体上面,只需要一加热,这些尖锥它要变形回原始状态,就可以把所有的器件很高效安全地释放到基体上面。整个过程非常高效、可控。  

变形+剪纸

除了在应用方面做的一些探索以外,我们也经常问自己一个问题,从材料基础性能的角度上来说,我们有没有可能去设计一些现有的变形材料没有的性能。我们来看看这四个小视频,所有这些视频里面都是形状记忆高分子,在加热情况下,他们从临时形状变成原始形状的过程。如果大家仔细看的话可能会留意到一点,左边的两个原始形状相对比较规则,他们都可以用传统的模具注塑的方法去得到。而右面的两个,原始形状高度复杂,而且是不规则的,这个用普通的加工方法是很难得到的,下面来告诉大家的是,我们怎么做到这一点的。  

实际上我们设计了一个高分子网络来做这件事情。大家可以把这个网络想象成一堆互相连接着的小弹簧。黑色的连接点是弹簧的永久连接点,而蓝色的接线实际上是可逆连接,就是它有可能在某些条件下被打开。在低温下,我们去拉伸这个网络的时候,这个可逆连接是处于不激活的状态,这时候你去拉这个网络,实际上表现在它的小弹簧被拉伸,也就是说这个东西是可以完全恢复的。而在高温下,我们可以激活这些可逆连接,这时候变形导致的是小弹簧在整个网络里面它的重组,而这些小弹簧本身不被拉伸,这时候整个材料的变形是没有办法恢复的。利用这个设计,我们就可以实现在同一个高分子网络,在不同的变形条件下,可以表现出完全相反的两种变形行为,一种是弹性形状记忆,一种是塑性的永久的变状。

如果大家还没有明白的话也可以想象,就像有一千个人在跳集体舞,大家手一直拉着,无论你怎么跳只要手不松,要回到原来的队列是非常容易的。但是如果大家在跳集体舞的时候一直在换手,这个次序就全乱了,它的变形是回不到原来的状态。有了这么一个材料,我们就可以做一些刚才给大家解释的事,比如说,可以从这个非常简单的原始形状,通过高温的塑性永久变形,用折纸的方法把它折叠成复杂的原始形状,而且这个塑性变形可以反复多次地进行,也就是说它的原始形状可以动态多次地被改变。而对于这么一个复杂的原始形状,如果在低温下变形它就可以记忆其他不同的临时形状,而且在加热的条件下可以恢复到复杂的原始形状,总体我就可以实现视频里面通过温度变化来折纸的效果。

前面给大家介绍的是塑性折纸的概念,这件事看起来很酷,实际上做起来并不容易,因为我们并不是真正在折一张纸,而是在130°的条件下折一个橡胶,很多的折线是很难控制的,那有什么解决办法呢?我们的学生很聪明,他们想到了我们中国传统的剪纸拉花艺术,这么一块平板,用激光切割出一些线,然后将四个脚摁住,中间一拉,进一步通过高温塑化,就可以得到一个高度复杂的三维的原始形状,通过它在低温下临时形状记忆行为可以实现非常复杂的形状之间的切换,这是我们用剪纸拉花艺术做出来的两个变形视频。  

简单的概括一下我今天的报告,实际上在给大家解释在做智能变形高分子材料的领域中,我们所关心的两件事。第一,从好奇心以及基础科学的角度,有没有可能通过新的分子设计来实现一些现有材料没有的变形行为。第二,在此基础上,我们也希望将这些新的变形材料用到和我们生活相关的某些重大应用问题中,例如人工耳蜗和人造视网膜。总体而言,这个研究是从好奇心出发,最后希望能够解决一些重要的问题。这里面很重要的一个问题是,形状不仅仅是好看或不好看,实际上在很多工程应用中,它有举足轻重的作用。

很显然这些工作都不是我一个人做的。这些年来我觉得我很幸运,有机会和不同领域的一些非常出色的专家有一些合作,当然了,我更应该谢谢我的学生,实际上这些工作都不是我做的,都是他们做的,只是我有机会在这里代表他们来介绍他们的工作。  

科学900秒-互动  

提问:我是来自光电学院的学生,刚才因为时间问题看您没有继续介绍,我比较关心你已有的科研成果有没有在一些生产或者生活中有更详细的应用范围。

谢涛:这个问题很有意思,实际上我们做的每一个东西都有应用的想法,但是我并不指望它在一年、两年内能够商品化。原因很简单,因为我们想做的事情更大,希望做的每一件事情能够做到改变一个领域,所以我们不是拿着现有产品今天来分析一下,明天就赚钱了,这个我不做。

前面说到3D打印的事,真的能用在哪里?我们实际上跟浙二医院的眼科大夫在合作,这是个风险很高的尝试。人的眼睛实际上都是一个生物水凝胶,它本身就是一张三维膜,曲率不对人就近视或远视了。我们希望用我们的技术来改变它的曲率,实现视力矫正。理论上用这个方法是可以做到的,当然实际上会碰到很多我们无法预知的问题。另外我们做的类蜡的三维打印是用在技术加工方面,实际上还有很多很多,我们也在做柔性电子的东西。目前这些方向都还没有人在做,所以做起来会有一些风险,但希望我们能够改变一个技术领域,给这个社会带来正面的东西。  

提问:老师您好,我是控制学院的一名研究生,我有两个问题,一是结合您刚才金属材料变形的事,它可以在加热状态下从临时形状到原始状态,这个过程它的可重复性多高?经过多少次变形之后它这个性能会退化?二是,您觉得对于一项科研成果,达到什么样一种程度是让自己满意的状态?

谢涛:我先回答你第一个问题,这个东西变形能变多少次,这个事情我们始终就没有关心过。首先我们做到这种变形,一次就已经没有人做了。第二,我做过四五次肯定是没有问题,我为什么要关心去做100次、1000次呢?只有某一天你跟我说:老师你这个东西能用到这个产品上,这个产品需要100次形变,那我会研究这个问题,因为那不是一个科学上的进步,仅仅是一个实用技术上的改进,所以没有到这个直接的应用之前,不会考虑这个具体数字。第二个问题,做到哪一步我会高兴?这个事情不好说,我只要是做到了现有材料没有办法做到的事,我就很高兴,不一定要马上看到它实用化。

我哥哥他不会读书,所以没上大学,但是他在读初中的时候,就设计了一个小发明,解决了用气针给球充气时很难对准的问题,因此得了好多奖,但是他没有上大学。浙大的学生应该做更高层面的事情。我前两天看了波士顿动力做了两个轮子的机器人,能够跳、能够跑,你看了以后会觉得我们落后了多少。所以你如果去看哈佛的学生,他们一定不会做那些小发明。从赚钱或者从创意的角度上来说小发明是有意义的,但是从科学的进步来说他们的意义很小,可以做,但是我希望以后浙江大学的学生做出来的不仅仅是一个小发明,而是一个真正让人能够眼睛一亮的东西。

  

录音整理:艾静

摄影:古越

编辑:涵冰

支持:“启真杯”组委会

来源:浙大科学+++