科技日报记者 宋迎迎 通信员 乔政文
“成为了！”当点开邮件看到《天然》杂志编纂部发来研究结果“正式发表”的通知，青岛科技年夜学高份子科学与工程学院传授刘凯长舒一口吻，指尖于键盘上悬停良久。
这一幕发生于不久前。本年34岁的刘凯，颠末3年集中攻关，开发出首个N型热电弹性体，让橡胶从工业密封件、轮胎等传统质料“副角”，一跃成为可以为可穿着电子装备、智能软体呆板人供能的“要害脚色”，为百年橡胶工业史竖起了一块“会发电”的里程碑。
刻意超过百年科学天堑
“这篇论文的撰写用了3年，暗地里更有着近10年的蓄力。”说起方才发表的这篇论文，刘凯感触道。
2011年，刘凯考入青岛科技年夜学，4年的本科进修让他对于高份子质料与工程橡胶标的目的孕育发生了稠密兴致，并留校继承读研。
于华静传授的引导下，刘凯最先接触橡胶功效化改性。从弹性体份子布局调控到功效添加剂筛选，再到机能评价系统的构建，他不停摸索着橡胶质料的机能界限。孳孳不停的研究，让刘凯摸清了橡胶份子链的“性情”。
2018年，刘凯进入中国科学院化学研究所攻读博士学位，致力在经由过程弹性体与光电质料的协同设计，冲破传统刚性器件的局限。为复现可拉伸晶体管技能，他渡过了365个“16小时事情日”，终极摸清了柔性电子的“命门”。依附这类对峙与毅力，刘凯于攻读博士学位时期作为第一作者发表SCI文章15篇，为他后续相干研究事情的开展奠基了坚实基础。
于高端弹性体质料范畴，曾经有一道绵亘于研究者面前百年的科学天堑——弹性体没法同时实现高拉伸回弹与热电机能。
2022年，刘凯与博士后互助导师雷霆传授扳谈时，雷霆感叹，“当前的柔性电子器件缺乏能拉伸的与之配套的电源”。刹时，“为柔性电子器件加之能拉伸的电源”这个设法，如稍纵即逝般击中了刘凯——本硕阶段的橡胶研究与博士阶段的半导体研究经验，忽然有了交汇点。
一直以来，刘凯对峙“认知就是用来被打破的”这一科研信条。恰是这类信条，让刘凯立志于新质料范畴首创热电弹性体，目的是补足海内于高端弹性体质料范畴的技能短板。
重复配比让“鱼与熊掌兼患上”
热电弹性体，简朴来讲是一种兼具弹性、舒展性及热电转换能力的立异质料。“传统橡胶犹如一根平凡橡皮筋，能拉弹，却守着‘绝缘体’的天职；聚合物半导体有发电潜力，却脆患上像玻璃。”刘凯先容，“咱们要做的，就是于传统橡胶上编织会导电的‘智能丝线’，使其拉患上越长，电通路越坚韧。”
“编织”事情听上去简朴，做起来却绝非易事。
基在自身于差别范畴的研究经验，刘凯于试验中发明，弹性体的拉伸回弹性与其热电机能并不是绝对于互斥。使两者共存的要害，于在构建“体相纳米相分散共混描摹”及“拉伸—回弹交联收集”。这可使质料于拉伸形变后仍能维持有用的电荷传输路径。
发明这一点后，刘凯重复将弹性体、共轭聚合物与掺杂剂按差别的比例举行混淆，重复开展试验丈量质料拉伸后的热电机能。“一最先的试验其实不顺遂，试验成果最使人泄气时，质料拉伸到原有长度的20%，其热电机能就会断崖式下跌。”回忆起那段潜心攻关的日子，刘凯说，他天天测试几十种混淆比例，常常事情到天亮。
功夫不负有心人，于无数个不眠之夜后，他终究迎来了庞大冲破——于热电聚合物插手弹性体后，“高电导—低热导”这一本征抵牾被打破，质料的电导率患上以提高，热导率患上以降低，热电机能获得较着加强。同时，当样品被拉伸至原始长度的150%时，他们所制备的热电弹性体的热电功率因子非但未降落，反而显著晋升。
于雷霆的建议下，更惊人的冲破相继所致。当刘凯于试验质料中插手极少量交联剂后，质料像被施加了“邪术”：其极限拉伸率突破800%，是传统橡胶的4倍以上，且于150%应变下回弹率高达90%。
“咱们的研究直接解决了柔性电子器件中质料因拉伸致使机能衰减的焦点痛点，让‘鱼与熊掌可以兼患上’。”刘凯注释说。
将来重于适配现实需求
于青岛科技年夜学高份子科学与工程学院的走廊里，一块块展板讲述着橡胶技能成长史。从自然橡胶的发明到合成橡胶的降生，再到如今的热电弹性体，百年工夫于橡胶质料的成长中流淌。
“已往对于橡胶举行的研究，年夜多聚焦其作为工业质料于轮胎、密封件和其他产物中的运用。此刻，咱们要让它走进可穿着电子装备、废热收受接管、柔性呆板人等新兴范畴，变身‘高端功效化智能质料’。”刘凯告诉记者，热电弹性体依附精彩的柔软性与拉伸机能，可以或许慎密贴合人体皮肤，有用网络热能，同时降低接触电阻对于热电转化效率的影响。此外，其无需繁杂互保持构的特征，使患上它与皮肤外貌可以或许直接适配，成为柔性电子器件的抱负能源收罗方案。
如今，刘凯继承举行橡胶与光电、热电等新兴技能的交织交融研究。于他看来，这些研究最年夜的挑战，并不是冲破单一技能难点，而是怎样于动态调解中连结研究标的目的的聚焦。
“好比，从弹性体功效化到可拉伸电子器件研发，再到热电弹性体的跨范畴延长，从质料基础立异到功效器件开发，再到能源集成运用，相干范畴研究的每一一次深化与延长都需要均衡立异与延续之间的联系关系。”刘凯告诉记者。
研究结果登上《天然》，对于在刘凯来讲不是尽头，而是新的出发点。于他试验室吊挂的研究规划表上，“电子皮肤”的多功效集成、财产化中试线设置装备摆设已经排上日程。
“今朝业界开发的热电弹性体，年夜多功效较为单一。但于现实运用中，咱们需要质料同时具有多维度的机能。”刘凯先容，怎样经由过程份子设计或者布局调控实现“功效耦合”，针对于光电皮肤、热电皮肤、生物传感器等详细场景，使弹性体的功效化改性进一步适配现实需求，是团队下一步的研究标的目的。
“也许用不了多久，智能腕表真能及充电线说再会。”刘凯先容，将来，粘贴于手臂上的薄膜也许可以将人体代谢热转化为电能，为心率监测器续航；工场管道外的柔性贴片能让废热流回电网；更前沿的“电子皮肤”既能收受接管深海探测器的磨擦热，又能为航天服供电。
措辞间，他拿起一块能发电的“智能橡皮筋”。拉伸时，它和顺如绸；回弹时，它蓄力如弓。刘凯笑着说：“科研就像橡胶，既要守患上住韧性，又要勇于拉伸界限。”
一起走来，于刘凯的学术舆图上，每一一步都显露出橡胶般的韧性、延展性，于他的研究计划里，将来的橡胶正不停挣脱自身局限，奔向更广宽的世界。
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