弹性功

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

研究背景细胞的机械特性对其生物学功能（如增殖、分化和凋亡）和形态状态（如迁移、附着和病理状态）至关重要。目前常用的细胞弹性模量测量技术包括原子力显微镜、微管吮吸、光镊和磁镊等。这些技术可以有效测量单个细胞的机械性质，但是通量低，限制了其实际应用。近年来，微流控芯片因其在小体积液体操控方面的独特优势，也被用于测量细胞弹性模量。现有的微流控芯片主要侧重于平台开发，虽然通量大幅提高，但很少将测量后的细胞进一步收集以实现后续分析。单细胞分析技术的发展要求能够准确地打印单个细胞。传统单细胞打印技术包括荧光激活细胞分选、有限稀释和手动细胞挑选，这些方法打印效率较低且难以实现自动化。近年来，各种微流控技术被开发用于高通量精确打印单个细胞，如喷墨打印、精确分配、双阀门筛选和移液管式单细胞分离等。这些技术可以根据目标细胞的荧光、形态等特征进行识别并打印，但是大多技术难以获得单细胞的机械信息。因此，本研究报道了一款基于 U 型阵列的微流控系统，集成了单细胞连续捕获，弹性测量和可寻址打印。该装置在研究细胞力学与其他生物学特性的关系方面具有强大的应用潜力。研究内容近日，哈尔滨工业大学（深圳）陈华英课题组在英国皇家化学会（RSC）期刊 Lab on a chip 上发表题为“Continuous trapping, elasticity measuring and deterministic printing of single cells using arrayed microfluidic traps” (《单细胞连续捕获、弹性模量测量和可寻址分选打印》)的研究论文，报道了一款创新的微流控芯片，实现了基于精确调节的压力对微球/细胞进行捕获和逐个打印，并将已知弹性模量的单细胞确定性地打印到孔板中（图 1）。该论文第一作者是哈工大（深圳）在读硕士研究生蔡逸珂和硕士毕业生余恩。陈华英副教授为通讯作者。微流控芯片（图 1A）由冲洗入口、样品入口、打印入口、压力维持口和两个平行的主通道组成，下游有打印出口。在所有入口通道中设计了宽度从 200μm 减小到 25μm 的微通道阵列，以过滤介质中较大的颗粒/细胞碎片。如图 1A 和 B 所示，在每个主通道的一侧有 16 个 U 型捕获陷阱，且吮吸通道的高度比分流通道的高度低 15 μm，以保证细胞停留在 U 型陷阱中并诱导其微小变形。▲图1 单细胞连续捕获、弹性测量和可寻址打印系统。(A)微流控芯片连接到压力泵，将单细胞精确分配到孔板中；(B)通过调节打印压力(Po)捕获(Pi-Po0)和释放(Pi-Po0)单个细胞的机制；(C)用于捕获和分离细胞的吮吸通道；(D)用于捕获和分离微球的分流通道。

作者：朱汉斌 张玮 来源：中国科学报11月12日，由中国科学院高能物理研究所（以下简称高能所）与中山大学共建的高能非弹性中子散射谱仪（以下简称高能非弹谱仪）在中国散裂中子源园区揭牌。这是中国散裂中子源首台非弹性散射类型谱仪，也是国内首台中高能非弹性中子散射谱仪，填补了我国百meV以上中高能非弹性中子散射的空白。记者获悉，高能非弹谱仪是中国散裂中子源建设的八台合作谱仪之一。自2019年9月开始，建设团队攻克了一系列关键技术，克服了疫情等重重困难，最终于今年1月12日成功产出第一束中子，标志着谱仪设备研制与安装的成功，开始进入调试阶段。非弹性中子散射谱仪既可获得散射中子的空间分布信息，同时也可获取散射中子的能量变化，可以在动量与能量空间测量物质微观结构的动力学行为，是研究材料元激发（如晶格、自旋动力学）最直接的工具。中国散裂中子源根据元激发的能量尺度和能量分辨的需求，规划了三台直接几何非弹性中子散射谱仪。“此次揭牌标志着双方合作取得又一代表性成果。”中国科学院院士、高能所所长王贻芳在致辞时表示，高能所和中山大学有悠久的合作历史和良好的合作基础，高能所在粤的三个重大设施的建设都有中山大学的贡献，双方于2017年底签署了《战略合作协议》，高能非弹谱仪的建设是协议重点内容之一。中国科学院院士、中山大学校长高松致辞时表示，中山大学和高能所将以高能非弹谱仪建设合作为契机，在科学研究、人才培养等方面继续深入合作，共同为粤港澳大湾区建设和国家科学技术发展做出更大贡献。同时期待高能非弹谱仪开放运行后，坚持面向世界科技前沿和国家战略需求，主动服务粤港澳大湾区，积极推动我国中子科学与技术发展。“高能非弹谱仪将为高温超导物理机制、量子磁性作用机制、热电材料输运性质、电池中离子扩散机制、以及生物材料活性等前沿基础研究工作提供晶格热振动、自旋波、晶体场等关键微观结构动力学信息，从而为相关材料的性能提高与新材料开发提供重要的基础支撑。”高能非弹谱仪首席科学家、中国散裂中子源学术委员会主任童欣表示。据介绍，本次建成的高能非弹谱仪的入射中子能量为10-1500 meV，最佳能量分辨率3%，提供1.5-800K高低温环境和7T磁场环境，利用费米斩波器和带宽斩波器协同工作，可实现多波长模式和单波长模式的快速切换。