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  中國國家游泳中心“水立方”由于其獨(dú)特的泡泡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在奧運(yùn)會(huì)期間吸引了全球的眼光，至今仍是建筑設(shè)計(jì)的典范。其實(shí)復(fù)雜的外表之下， 水立方的“泡泡”背后還藏著一個(gè)在科學(xué)界非常著名的“開爾文問題”. 最近英國曼徹斯特大學(xué)劉旭慶博士團(tuán)隊(duì)的研究表示，這個(gè)古老的經(jīng)典問題在時(shí)尚的可穿戴領(lǐng)域，又有了新的貢獻(xiàn)。

圖1 左：中國國家游泳中心 右：開爾文爵士

（圖片來源于維基百科）

  可穿戴設(shè)備和柔性器件引領(lǐng)了人類未來的智慧生活方式。金屬材料由于導(dǎo)電性高和成本等優(yōu)勢(shì)，是目前可穿戴設(shè)備和柔性器件主要的導(dǎo)體。通過電鍍或者化學(xué)鍍等方法，將金屬層沉積在柔性的纖維或其他柔性聚合物基底，是可穿戴設(shè)備的上游產(chǎn)品，其穩(wěn)定的導(dǎo)電性是確保柔性器件性能穩(wěn)定的重要保障。但是由于在拉伸過程的應(yīng)力作用下，導(dǎo)電金屬涂層中形成許多微裂紋，使用過程中的重復(fù)彎曲經(jīng)常導(dǎo)致導(dǎo)電率的顯著降低，這是導(dǎo)致柔性器件失效的主要原因之一。此項(xiàng)工作創(chuàng)造性的引入天然單寧酸分子以附著到纖維和PU等高分子柔性基材上，為催化劑吸收和隨后的金屬顆粒的無電沉積（ELD）提供了完美的平臺(tái)。通過了解化學(xué)金屬沉積物的成核，生長和結(jié)構(gòu)，金屬納米粒子的表面形態(tài)可以通過電鍍時(shí)間的簡單變化在微納米級(jí)別上進(jìn)行控制。當(dāng)化學(xué)鍍時(shí)間為20分鐘時(shí)，制成的導(dǎo)電纖維的歸一化電阻（R / R0）僅為1.6，這遠(yuǎn)低于在相同條件下的60分鐘ELD樣品（R /R0≈5）。這是因?yàn)榧{米顆粒之間的大量未填充間隙防止金屬膜在彎曲下開裂。（圖2）

圖2:不同反應(yīng)時(shí)間的布料導(dǎo)電性和柔軟性和纖維表面形貌。

  更重要的是，他們?cè)谘芯繉?dǎo)電性和柔性的關(guān)系時(shí)，通過肥皂泡聚集形態(tài)啟發(fā)，引用了經(jīng)典的開爾文問題來研究納米金屬在柔性基底的聚集狀態(tài)，從而優(yōu)化導(dǎo)電層的柔性和導(dǎo)電性的關(guān)系，并組裝了相關(guān)的柔性器件。（圖3）

圖3：泡泡模型的建立和金屬斷面的分析

  除了開爾文問題，有趣的肥皂泡里還包括極小曲面問題，和偏微分方程、微分幾何、變分法、拓?fù)鋵W(xué)等多個(gè)方向都有重要的聯(lián)系，也為了解納米尺度下的凝聚態(tài)物理提供了絕佳的宏觀模型.

  相關(guān)工作發(fā)表在 Small (A Nature‐Inspired, Flexible Substrate Strategy for Future Wearable Electronics)。論文第一作者是祝創(chuàng)，現(xiàn)為曼徹斯特大學(xué)博士二年級(jí)學(xué)生，通訊作者為劉旭慶博士。

  英國曼徹斯特大學(xué)劉旭慶博士課題組近幾年致力于高分子纖維的表面分子設(shè)計(jì)，從而研發(fā)新型功能性面料和可穿戴設(shè)備，其課題組的近年的相關(guān)的一些研究成果被The Economist，Nursing Times廣泛報(bào)道，在全球產(chǎn)業(yè)界引起廣泛關(guān)注。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201902440