弹性联轴器

p 　　在80后90后的童年记忆中，有一个著名的历史故事，司马光砸缸。当陶土做的水缸被石块砸了一下，就破了一个洞，水流出来了，掉在缸里的孩子也得救了。 /p p 　　而对于女孩子来说，跳皮筋是洋溢着欢快笑声的集体游戏，在牛皮筋的一勾一拉中，旋转，跳跃，不停歇。 /p p 　　这两个童年记忆，其实包含着一个自然界的普遍规律，玻璃、陶瓷这样的无机材料通常都是又脆又硬的，没有什么弹性，而橡胶这类的有机材料韧性好，弹性足，可以反复拉伸。 /p p 　　如何让无机材料变得像有机材料那样可以回弹，是世界很多科学家的努力目标。 /p p 　　这其中就有浙江大学高分子科学与工程学系的高超教授团队。最近，他们的研究取得了突破性进展，设计制备出了高度可拉伸的全碳气凝胶弹性体，并且表现出优异的性能，今后有望应用在柔性器件、智能机器人及航空航天等多个领域。 /p p style=" text-align: center " 　　 img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201804/insimg/99d0c873-4a30-4542-90ee-86367a879173.jpg" title=" 3.jpg" / /p p 　　论文发表在国际著名期刊《自然通讯》，共同第一作者为博士生郭凡、姜炎秋，通讯作者为许震特聘研究员、高超教授。 br/ /p p 　　 strong 打破物质的本性 /strong /p p 　　材料科学的发展一直与人类文明密切相关。现如今我们已经拥有了各种各样的材料。可是让科学家烦恼的是，无机材料耐高低温但没有弹性，有机材料有弹性却又不耐高低温。 /p p 　　如果能研究出一种无机材料，在保持耐高低温的同时具备一定的弹性，该多好啊。“这样就能扩大材料的使用范围。我们做科学研究就是要打破物质的本性，这样才能发现新性能，寻找新用途。” /p p 　　研究团队在研制这一新材料时，聚焦的无机物材料为碳。因为碳所特有的导电性能，为未来应用提供了更多可能性。他们发现，高分子弹性体，比如橡胶，分子是链状结构，就像柔软的棉线团，有很多缠结的地方可以被拉开，当外力去除，这些高分子的“棉线”又重新缠结变成线团。无机物之所以不能拉长再回弹，就是因为没有相似的结构。 /p p 　　这时候，高超团队搬出了他们的研究老伙伴，石墨烯。他们希望能在“一片片”的石墨烯中制造出一些褶皱，将高分子的可拉伸“线团结构”拓展成为石墨烯中可拉伸的“纸团结构”，来提高石墨烯的延展性。 /p p 　　团队借鉴生物学理念，从肌肉和关节的拉伸中寻找答案，设计出类似传统拉缩式灯笼的结构，并用3D技术打印出来，通过限位压缩定型，形成一些“褶皱”。这时候，石墨烯材料可以拉伸100%。 /p p style=" text-align: center " 　　 img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201804/insimg/96def27c-0e76-4da6-b6ea-cf62831f59ba.gif" title=" PT180405000012hNkQ.gif" / /p p 　　继续拉伸，石墨烯的“一片片”分子结构之间就会出现裂纹。怎么办?团队引入了另外一种纳米材料——碳纳米管，在石墨烯的片层之间打上“补丁”。这样一来，石墨烯就可以拉伸200%了。 br/ /p p 　　高超教授说，这种全碳气凝胶弹性体具有优异的抗疲劳性能，在拉伸200%的状态下，可稳定循环至少100圈 在100Hz、1%应变的状态下，可稳定循环至少百万次。“之前一些研究是在有机材料上涂一层无机材料，以此来实现可拉伸。我们这套方法是改变了材料的本身特性。” /p p style=" text-align: center " 　　 img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201804/insimg/eb23600f-2e7b-4eed-b973-5aac366964dd.jpg" title=" 4.jpg" / /p p 　　对于这一新型材料的未来发展前景，高超教授表示，可以应用到与仿真机器人相关的导电弹性体上，比如电子皮肤等等。“更大的意义，我们希望开拓一个新的研究领域。当大家都在研究气凝胶的压缩性能时，我们希望换一种思路，从拉伸这个方向开展研究。” br/ /p p 　　 strong 从一只雁到一群雁 /strong /p p 　　高超团队与石墨烯的情缘已有十年之久。“石墨烯本身是一个‘很小’的材料。国际科研领域已经对它的纳米级结构分析得非常透彻了，我们想看看，把它组装起来变‘大’后会怎么样。”10年前的2008年，高超被引进加入浙大高分子系后，为自己定了一个清晰的全新研究方向——石墨烯宏观组装。 /p p 　　他用一首儿歌来解释这项研究。“秋天到了，一行大雁往南飞，一会排成一字形一会排成人字形。”当一群大雁在飞行时，我们一眼就能看出雁群的形状，反倒是一只大雁在空中飞的时候，我们很难看清楚它的结构。 /p p 　　通过群效应团队发现了氧化石墨烯的液晶现象。在一次实验中，团队成员把氧化石墨烯倒进一个杯子，偶然对着光一晃，发现杯中出现了彩色带。这是什么原因呢?团队顺藤摸瓜，发现氧化石墨烯在溶液中的浓度达到某个临界值时，会自发进行取向排列，不但可以流动还高度有序。 /p p 　　又有一次实验，成员把两条氧化石墨烯纤维放在一起，过了一会儿，这两条纤维居然“焊”在一起了。原来氧化石墨烯有一种“自融合”的本领。 /p p 　　从这两大发现出发，团队“倒腾”出了四大发明：石墨烯纤维、石墨烯组装膜、石墨烯泡沫、石墨烯无纺布，科研成果发表在《自然通讯》和《先进材料》等国际著名期刊上。 /p p style=" text-align: center " 　　 img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201804/insimg/4097cb8e-708a-4cfb-ae4d-85994a64a7d4.jpg" title=" 5.jpg" / /p p 　　高超说，一流是要不断奋斗出来的，“不是说做好一个工作就行，而是要不断推进”。在团队建设中，高超也非常强调“一流”，认为要有一流的文化、一流的平台、一流的待遇，最终产出一流的成果。他经常跟学生说：“科研首先要发奋，拼搏了才能有所发现，有所发明。还要努力让科研成果转化为对社会有用的产品，让科技发达起来，让国家发达起来。” br/ /p p 　　从最初的几个人，到现在的几十人，高超团队也从“一只大雁”发展到了“一群大雁”。对于过去没钱买研究设备的窘况记忆犹新，对于未来，高超说，他会坚持在首创、极致和影响力三个层面上继续努力。 /p p style=" text-align: center " 　　 img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201804/insimg/2ca1ddb9-ed63-40a0-8d43-cff98afbd069.jpg" title=" 6.jpg" / /p p 　 strong 　科学也可以诗情画意 /strong br/ /p p 　　对于石墨烯宏观组装研究，高超今年1月还专门写了一首诗来解释其中的奥妙。 /p p 　　氧化石墨烯 /p p 　　插层氧化银成金， /p p 　　水洗超声片片新。 /p p 　　纵是千疮身百孔， /p p 　　组装修复变烯神。 /p p 　　高超说，这首诗的大意就是，氧化石墨烯通过插层、氧化、水洗、超声等过程制得，尽管缺陷很多，但可以通过组装及结构修复形成有重要应用价值的石墨烯宏观材料。在他心目中，氧化石墨烯的可塑性太强了，可以在很多领域派上用场。早些年，他还写过另外一首诗来赞美石墨烯。 /p p 　　烯望 /p p 　　石陶铜铁竞风流， /p p 　　信息时代硅独秀。 /p p 　　量子纪元孰占优， /p p 　　一片石墨立潮头。 /p p 　　科研工作很忙，这些作品都是高超利用坐火车乘飞机这样的琐碎时间完成的。写诗和骈文是高超业余的重要爱好。他认为科学家也可以写风花雪月的诗句，但如果用诗的语言表达科学，更有利于传播科学，也更能发挥科学家的特长。 /p p 　　“习总书记曾说，科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼，要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置。我觉得，研究不能只是成为枯燥的论文，还要让公众能够看懂。” /p p 　　他还认为，科学家要多交小朋友，从而提高科学的吸引力和公众的科学鉴赏能力。 /p

【科学背景】柔性和可拉伸电子技术，因其在可穿戴、皮肤贴合、机器人、生物医学和生物电子学等领域的前沿应用，已成为当前研究的热点。然而，这些技术在材料和结构布局方面的持续发展也带来了一系列挑战，其中主要问题在于缺乏简便、适应性强且可靠的电路互连技术，长期以来困扰着柔性和可拉伸电子设备的发展。目前的研究表明，传统的金属焊接和导电粘贴策略在柔性基板和电路易受损的问题上存在局限性，而自修复材料和液态金属等技术虽能实现CE电路的自连接，但在与独立制造的电子组件的粘附性和机械适应性方面仍有待进一步提升。针对这一挑战，厦门大学材料科学与工程系袁丛辉副教授张铁锐教授和戴李宗教授合作提出了一种低电压、快速的电焊接策略，通过设计由硼酸酯聚合物和导电填料组成的导电弹性体（CEs）。这种策略不仅能在环境条件下实现CEs的自焊接，并能有效地将CEs与金属、水凝胶及其他导电弹性体等材料实现焊接，还通过电化学反应触发界面粘接剂的暴露或动态键的断裂/重组来产生焊接效果。结果显示，这种电焊接技术能够确保电路接口的机械适应性和导电性，并能轻松地在千帕至兆帕范围内产生高强度的焊接连接。这一创新不仅为构建独立的柔性和可拉伸电子设备提供了坚固的平台，还为设备的灵活拆卸和按需组装提供了新的可能性，推动了柔性电子技术向更加成熟和应用广泛的方向发展。【科学亮点】（1）实验首次提出了一种低电压（1.5至4.5V）和快速（5秒）的电焊接策略，用于在柔性和可拉伸电子设备中集成刚性电子组件和软传感器。这一策略基于设计的导电弹性体，包括硼酸酯聚合物和导电填料，能够自身焊接并实现对金属、水凝胶和其他导电弹性体的焊接效果。（2）实验结果表明，通过电化学反应触发界面粘接促进剂的暴露或动态键的断裂/重组，该电焊接技术能够确保电路接口处的机械适应性和导电性。在不同电子组件（如软传感器、可变形电子元件和市售刚性电子元件）之间实现稳定的互连成为可能，同时在千帕至兆帕范围内产生可靠的焊接强度。（3）尽管金属焊接技术（如锡焊接和激光焊接）存在的高温损伤问题，以及传统导电粘贴策略的低粘接强度和复杂后处理，本文提出的电焊接技术克服了这些限制。它不仅能够在柔性基板和电路中实现可靠的互连，还为构建独立、可拆卸的柔性和可拉伸电子设备提供了坚固的平台。【科学图文】图1. C-BPE的设计和电焊接概念；Ag-BPE的导电和机械性能。图2. Ag-BPE的自焊接和Ag-BPE/金属焊接。图3. Ag-BPE/水凝胶焊接和Ag-BPE/CE焊接。图4.通过电焊接技术构建柔性和可拉伸电子设备。【科学启迪】本文创新性地将电焊接技术从传统的物理熔化过程转变为化学过程，结合了电化学反应和动态键反应。通过这种方法，能够在低电压和快速的条件下，实现导电弹性体（CEs）与不同的导电材料和电子组件的可靠焊接，包括具有刚性和软性特性的元件。这一理念不仅解决了柔性和可拉伸电子设备中常见的接口粘附、机械匹配和界面结合稳定性等问题，还显著简化了操作流程，并提高了材料的适应性。通过电化学策略精确控制动态键的可逆反应，为材料内部的新功能提供了开发空间，例如在生物电子学、能量存储和机器人技术领域的潜在应用。这种创新不仅促进了柔性电子设备的进一步发展和商业应用，还为多领域的工程应用提供了一种全新的材料连接和功能设计策略。参考文献，Haimen Lin et al. ,Electrically weldable conductive elastomers.Sci. Adv.10,eadp0730(2024).DOI:10.1126/sciadv.adp0730

时至今日，科技体制改革面临的最大理论问题就是变革的弹性：即集中与自由是以二元形式存在，还是集中为主，自由为辅?或者反之，自由为主，集中为辅。其实，这个问题也是国际科学界长期以来没有根本解决的问题。个人和组织常常会陷入某种既有的观念框架中，以至于无法想象出其他的选择模式，这就是典型的&ldquo 认知路径依赖现象&rdquo 。人是自己所拥有的观念的奴隶，作任何决策时我们都不应该忽略认知模式所施加的影响。 　　回首即将过去的一年，新一轮科技体制改革的大幕已经徐徐拉开，一些关键信号已经释放出来。例如，在今年由科技部、财政部共同起草的《关于深化中央财政科技计划(专项、基金等)管理改革的方案》中，最引人关注的就是方案提出的&ldquo 科技计划体系主要包括国家自然科学基金、国家科技重大专项、国家重点研发计划、技术创新引导专项(基金)、基地和人才专项5个方面&rdquo 。这5方面的科技计划都要纳入公开统一的国家科技管理平台，中央财政加大支持力度。这则信息内涵丰富：一方面，其界定了未来研究类型的划分 另一方面，明确提出了资源的重新集中化。这实在是近年来科技体制改革少见的大动作。 　　资源的集中管理解决了前期宏观管理上的&ldquo 九龙治水&rdquo 局面，在微观实践层面则解决了个体重复申报等问题。但现在的问题是，未来政府将不再直接管理科研项目，那么资源集中后将由谁来管理?按照2013年的科技统计公报数据，这笔中央财政拨款达2728亿元之巨，即便5个平台均分也各有约540多亿元。这无疑是一个庞大的资源平台。就目前口碑最好的国家自然科学基金委来说，它的资源总量也就200亿元左右。很难想象500多亿元的平台要拥有怎样的气概?如果仍用原班人马、原有管理模式，那些曾经的&ldquo 973&rdquo &ldquo 863&rdquo 换个名义重新出现在新的机构里，那么这些平台的权力实在太大了，完全有可能演变为霍布斯意义上的新的&ldquo 利维坦&rdquo 。如果这种可能性不能得到有效防止的话，那么只能说此次改革未来将充满不确定性。而且，如果试验失败的话，其后果将是灾难性的。举国科研被SCI牵引的局面就是一个典型例子，终结一项有问题的政策的成本将是巨大的。 　　其实，资源配置方式从分散到集中，只解决了表面问题，而未触及科技体制改革的实质，即&ldquo 状态&mdash &mdash 结构&mdash &mdash 绩效&rdquo 的根本性改变。集中是我们所熟悉的管理模式，并且凸显了权力的自信，而分权恰恰是我们所不熟悉的。对于以往的&ldquo 集中型分散&rdquo 模式带来的问题，国家作为委托人的极度不满是可以被体会到的：投入与期望的产出严重不对称，同时各种不端行为发生，这种状况必须得到改变。历史的吊诡之处在于，当改变成为所有人的共识时，恰恰意味着谁都不知道该怎么改。但是&ldquo 变&rdquo 又成为双方可化解尴尬局面的唯一出路。改革的潜在陷阱在于，我们所解决的问题远远不及我们所带来的新问题多。那么，如何预防这些潜在的风险?这就是我们所关注的改革的弹性问题，即收与放的问题。 　　在决定放与收的边界时，要考虑到科技事业的固有特点：科学与自由探索有关，而技术与目标导向与关。前者的产出具有公共物品的属性，适合国家支持，而后者的产出具有商业价值，因此与市场机制匹配。如果完全被市场模式主导，就会出现遏制科学发展的情形。另外，两者的研究属性也不同，前者崇尚自由，后者则是集中约束下的目标定向行为。这些特点决定了科技体制改革的弹性问题，而改革弹性约束了改革的潜在边界。基于此，科技体制改革就是要解决好实践层面的资源分配与激励机制。只有如此，才能带来国人期盼的&ldquo 状态&mdash &mdash 结构&mdash &mdash 绩效&rdquo 的根本性改变，否则片面追求绩效与状态只能是缘木求鱼。 　　在具体措施方面，我们不妨把资源的竞争性分配与保障性分配区分出来。以往的项目申报都属于竞争性的分配模式，这方面已有很多研究，不再多谈。这里只谈保障性供给模式的建设。科技界不能搞平均主义，保障性供给如何避免吃大锅饭并实现激励机制?笔者曾建议，中国科技界应向国际体育界学习，对各领域的科研人员实行排名制，而排名是定期动态调整的。该项工作可由行业协会与第三方独立机构完成。只有进入排名的才可以申请保障性供给，这样就解决了吃大锅饭与激励机制的问题。 　　客观地说，如果完全采用竞争模式，其危害主要有两点：其一，带来整个科技界的急功近利与浮躁气息 其二，落后的管理体制无法有效分配资源，只能靠简单地增加资助额度来化解新增资源带来的日益增大的评审成本，从而导致资源的边际效用递减。实行各学科人才排名制，其优点有二：其一，管理部门能时刻掌握人才家底的库存，便于关键时刻解决国家之需 其二，排名制提供的激励机制，最大限度地集聚了当下的智力资源，并能永续地成为国家储备人才的蓄水池。 　　中国科技已到了从量的扩张到质的提升阶段，如何提升质恰恰是当下破题的关键所在。众所周知，知识产品的生产是有周期的，让科技工作者安静下来，有时间打磨自己的知识产品，就需要从制度层面入手，塑造群体的质量偏好。美国政治学家盖伊· 彼得斯曾说：市场模式的胜利只是意味着市场取向的解决方法已经取得了合法性。问题在于大科学时代，科技内在结构是非常复杂的，任何单一模式都不是包治百病的万能胶囊，我们必须在集中(举国体制)与分散(市场体制)之间寻找一种建设性的均衡。(作者系上海交通大学教授)