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自愈表面:这就是智能手机等设备自我修复的方式

时间:2023-08-04   访问量:70

未来,智能手机显示屏刮花应该成为历史。中国研究人员开发了一种模仿人类皮肤再生效果的材料,作为移动设备上的涂层,可以独立修复划痕和裂纹。

防碎显示器:幻觉?

智能手机和平板电脑的显示屏有一个弱点:它们很容易被划伤,而且即使受到很小的撞击也常常会碎裂。多年来,专家和科学家一直在研究尽可能抵抗损坏的表面。到目前为止,收效甚微,因此智能手机显示屏被划伤的景象仍然是我们日常生活的一部分。新的是可以自我修复的表面。在这方面,研究也已经提出了有前景的解决方案,但这些解决方案对于显示器的用途有限。到目前为止,自修复涂层的硬度还不足以在移动设备上实际使用。

皮肤的自我修复能力

在这里,大自然比技术领先了一大步:人类皮肤具有自我修复的能力。小划痕会在几天内自行消失。表皮细胞(皮肤的最顶层)在受伤后会被激活,并努力闭合已出现的间隙。

自然作为榜样

中国哈尔滨工业大学齐夏东领导的研究小组不仅受到皮肤自我修复能力的启发,而且还成功开发了一种比以前的解决方案更硬、更强的表面涂层。哈尔滨自修复表面的亮点在于纳米技术:采用了基于碳、氧和氢的纳米材料氧化石墨烯。它由氧化石墨(石墨酸)在碱性条件下形成,呈片状。在此过程中,首先将一层聚合物(一种软塑料)涂在基材上,然后用另一种聚合物覆盖该层,其中事先嵌入了氧化石墨烯。

微小的氧化石墨烯薄片平行于软塑料的表面排列。其原理与人类角膜相似:表皮角化细胞嵌入较柔软的细胞网络中,共同使皮肤更能抵抗外界影响。Qi 和他的团队开发的由软聚合物制成的表面和类似愈伤组织的涂层,其反应方式与人类皮肤类似:如果你刮擦表面,由聚合物制成的软底涂层会发挥作用并闭合划痕。氧化石墨烯分子紧随其后。Qi的研究特别引人注目的是,氧化石墨烯赋予软聚合物牙釉质的硬度,从而硬化整个涂层。

纳米材料的世界

纳米材料的特点是其单位极小,可以在 1 到 1,000 纳米之间。一纳米是十亿分之一米。因此,纳米材料具有特别精细的结构。一个例子是荷叶的表面,由于其结构由微小单元组成,因此水可以轻松地滚落。角质组织也由这种精细结构的元素组成,这激发了 Qi 周围的研究人员进行可能的突破性发展。

纳米研究最有前途的事情之一是纳米材料可以开发的特性。颗粒按照完全不同的定律以最小的单位起作用:具有纳米涂层的陶瓷可以变得透明,或者碳纤维可以变得极其抗撕裂。在纳米材料氧化石墨烯的影响下,自修复表面的聚合物的表现也与平常非常不同:它们不仅硬化,而且还封闭载体材料上的间隙和划痕。

研究中的自修复表面

自修复表面的研究已经进行了很长时间。例如,2009 年,弗劳恩霍夫 制造工程与自动化研究所 (IPA) 开发了一种添加了颗粒尺寸纳米胶囊的电镀涂层。如果以这种方式涂覆的表面被损坏,胶囊就会破裂并释放出液体。效果:几秒钟内划痕就被填平。2011年,长春吉林大学的化学家孙俊奇将多种具有极易移动分子结构的塑料制成的水溶液混合在一起,旨在通过喷涂来简单地封闭裂缝和划痕。尽管这两项进展都很有前景,但由于电阻低,它们在显示器等领域的实际应用中失败了。

哈尔滨自愈表面的潜力

仍需要进一步的研究才能在移动设备上使用受自然启发的自我修复表面。纳米材料氧化石墨烯可用于可靠地闭合裂缝和划痕,同时确保表面保持极高的耐磨性。然而,到目前为止,聚合物和氧化石墨烯的混合物还不够透明,不足以覆盖显示器。然而,其他纳米材料的实验很快就能消除这个缺点。这样,跌倒后显示屏破裂或手提包或裤袋划伤将成为过去。Qi 的进化还有其他特性,使其对于各种目的都很有趣。第一次尝试表明 由于其坚硬且完全光滑的表面,涂层可以杀死细菌并抑制其生长。新开发的产品还可用于使用医疗设备。

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