根據一項新的研究，受摺紙術啟發的工程技術可以幫助研究人員開發用於柔性等離子顯示屏的彈性導體，最終甚至可以開發可彎曲以追蹤太陽光的太陽能電池板。
全球越來越多的研究人員正在開發柔性電子產品，例如 電池 和太陽能電池板，這些產品有朝一日可能會應用於服裝甚至人體內。但是，為了製造諸如導線和電極之類的部件，科學家們需要同樣柔韌的導體。
然而，彈性導體難以設計；研究人員表示，現有的導體要麼彈性不足，要麼在拉伸時導電性會急劇下降。[改變世界的十大發明]
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現在，科學家們首次使用一種被稱為 剪紙 的摺紙術變體來製造可拉伸的導體。傳統的摺紙術僅使用摺疊來建立結構，而剪紙術則同時使用摺疊和切割。
通常，當材料被拉伸時，它們可能會撕裂，從而降低其 導電性，從而降低它們將電從一個地方輸送到另一個地方的能力。此外，很難預測何時何地會發生撕裂，這使得難以準確瞭解材料的特性可能會發生怎樣的變化，研究人員說。
剪紙切割降低了 導體 的導電性。然而，研究合著者、密歇根大學安娜堡分校的計算科學家莎倫·格洛策爾說，當導體被拉伸時，它們的導電性保持穩定。“切割和摺疊導致材料不再僅僅停留在二維空間，而是彈出到三維空間，這賦予了它這些非凡的機械效能，”格洛策爾告訴《生命科學》。
這項工作的想法源於紙藝家馬特·什利安和材料科學家馬克斯·施泰因之間十多年的合作，他們都來自密歇根大學安娜堡分校，並且是這項新研究的合著者。這些裝置的設計靈感來自什利安的一件藝術作品，他切割了一張紙，使其在拉伸時延伸成一種人字形網格——一種用於某些織物的之字形圖案。
施泰因告訴《生命科學》：“馬特首先找到我們科學家，因為他覺得他的作品可能對科學家很有趣，而且他也在為他的藝術尋找靈感。吸引我的是當時我正在探索如何建立可以編織和針織的電路，而他可以直觀地思考如何從二維過渡到三維。”
首個受剪紙啟發的彈性導體原型涉及覆蓋著碳奈米管的紙張——碳奈米管是隻有奈米級或十億分之一米寬的碳管，具有卓越的導電性。使用的剪紙圖案相對簡單，切割類似於一排排短劃線，開啟後類似於一個乳酪刨絲器。[你從未聽說過的 8 種化學元素]
當將此剪紙原型放入充滿氬氣的玻璃管中並通電時，彈性導體將氬氣轉化為發光等離子體，類似於霓虹燈。研究人員認為，此類裝置的陣列可能有助於構成可拉伸的等離子顯示屏。
然後，研究人員透過從 氧化石墨烯 薄片中建立微觀剪紙進一步發展了他們的概念，氧化石墨烯是一種由原子厚度的碳和氧層組成的材料。他們將這些氧化石墨烯薄片與柔性塑膠夾在一起，每種材料最多有 30 層。藉助雷射和等離子體進行了只有十分之幾毫米長的切割。
研究人員說，最終，剪紙圖案可以將這些導體的拉伸能力從 4% 大幅提高到 370%。“表面上堅硬且容易發生災難性故障的物體可以表現出很大的屈服，”施泰因說。
此外，研究人員開發的計算機模型幫助他們準確地瞭解了剪紙圖案如何影響彈性導體的行為。這可以幫助他們為特定應用選擇最佳的剪紙圖案。“這為基於計算機的材料工程開闢了一個全新的可能性領域，”研究合著者、密歇根大學奈米化學家尼古拉斯·科托夫告訴《生命科學》。
這些彈性導體的一個潛在應用是太陽能。“我們有興趣開發一種廉價、經濟、可擴充套件的方式來製造可以跟蹤太陽的太陽能電池板材料，”格洛策爾說。
格洛策爾補充說，摺紙和剪紙最終可以作為一種使用摺疊來儲存資訊的方式。“我們開始探索設計中幾乎無限的可能性空間，”她說。
科學家們今天（6 月 22 日）在《自然材料》雜誌上線上詳細介紹了他們的發現。
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