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从绿色新能源塑料（PVDF）到“人造肌肉”的转变

2015.4.09

　　北京时间2015年3月26日，美国丹佛，一种用于过滤器和管道的塑料表现出一个不寻常的特征：当拉或压它时可以产生电流。这种能力已经有了小规模应用，目前研究人员正在制取这种材料的纤维来获得更大的电流，从而能获得从绿色能源到“人造肌肉”的更大范围的应用。他们将在“美国化学学会（ ACS ）第249届全美会议暨博览会”上以一种新颖的形式汇报这种塑料材料取得的进展。

　　“在过去的几年里，我们已经做了很多关于聚偏氟乙烯（PVDF）的工作。”得克萨斯大学达拉斯分校（UTD）的Voit博士提到。 “如果我们在一定的条件下生产PVDF的话，我们可以把它做成压电体，这意味着如果拉伸它，它会产生电流。或者把电压加到材料表面，可以改变其形状。”

　　PVDF等其他具有相似特征的材料已经迈入现代技术行列，比如：触摸屏中的压力传感器和电子器件中的倾斜传感器。但是如果它们的压电性能得到了显著提升，它们的潜力可以远远超出第一代的应用。

　　通过与弗吉尼亚理工学院暨州立大学的Priya博士合作， Voit已经在这一目标上取得新的进展。他们带队努力研究了“软”聚合物基。能量收集材料是“能源材料和系统收集中心”的一部分，同时也是一个以能量采集和运动控制技术的发展为中心的美国国家科学基金会的项目。

　　Voit实验室的博士生Cary Baur，想出了一个办法把有机纳米结构（即“巴基球”）和单壁碳纳米管掺杂到PVDF纤维中来提高其压电性能，其中“巴基球”是碳原子做出来的的微小球体。科学家正在以各种方式利用这种有趣的近亲特性。

　　在Voit对这种材料研究的实验中，碳纳米结构甚至可以增加电场的整体强度。因此，Voit提到，该PVDF杂交碳是科学文献中目前最好的压电复合材料。

　　把这些纱状结构做成人造肌肉，即如果通过电流或改变温度，这些材料就有拉伸和压缩形变，那么还需要对它们进行改良。Voit的同事提出实现这个目标的一种方法。Ray Baughman博士用约10根人发宽度的尼龙纤维束缠绕成一个长的，紧密的线圈，就像一个老式的电话线，但在规模上要小得多。该结构可以在加热时有近50 ％的收缩，并且可以承受约16磅的重物。

　　“其效果类似于拉橡皮筋， ” Voit说。 “橡皮筋盘绕时，你拉伸时可以得到更多应变。”

　　Voit 希望用他的PVDF碳纤维产生相同的效应，这是比尼龙好得多的压电材料，并且对电流能产生同样的效果。他说：“我们必须把它盘绕起来，在它形状复杂时保证有正确的压电特性。实现这个目标才是我们真正的秘密武器。最终，它可以用来建立合成肌肉，可以使假肢更加逼真。”

　　Voit提到，他所研究的材料的另一个吸引商业利益的潜在用途是收集能量。波音公司为他的研究提供了一些资助，他们对飞机上乘客产生能量的用途感兴趣。因为他们坐下、站起来、调整自己的座位可以用来给飞机里的一些设备供电，例如房间里的头顶灯。Voit说，这将使航空公司减少一些电缆，可显著减轻飞机的重量并节省燃料。

　　“现在我们正在想尽办法在更大的程度上进行加工，来制造出大容量能量收集设备和实用的人造肌肉”， Voit说。

材料产生

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