低維材料✌🏻：光學膜讓“視界”更“晶彩”

70英寸以上的超大屏幕液晶電視機畫質高清逼真🦵🏼💁🏼‍♂️，即使180度觀看，視角不受限……種種優越性能同時實現的背後，離不開光學補償膜這個低維材料家族成員🦻🏻🤤。

從眼鏡、數碼相機到電腦👨‍👦、電視、手機，甚至人民幣上的防偽技術，光學薄膜在生活中可謂無所不在。它屬於典型的低維材料，是在光學元件或獨立基板上🎾，製鍍上或塗布一層或多層介電質膜或金屬膜或這兩類膜的組合，以改變光波透射、反射、相位改變等傳遞特性，花色繁多的性能讓人們的“視界”變得豐富多彩。

光學補償膜作為光學膜的一種，充當了液晶“視界魔法師”的角色，可對各種顯示模式下液晶在各視角產生的相位差進行修正，即讓液晶分子的雙折射性質得到對稱性補償。此外🛝𓀈，它還能有效降低液晶顯示器暗態時的漏光量，並在一定視角內大幅提高影像對比、色度，克服部分灰階反轉問題。

近年來，液晶顯示器（LCD）在信息產業中得到廣泛應用，而視角受限不對稱💂‍♀️、對比度低等問題阻礙了它的應用拓展，補償膜憑借其神奇的光學性能成為最簡單的解決方案之一⌚️。除對稱性補償外👨🏿‍🎨，補償膜還能使不同角度觀看的影像失真度最小🧝‍♀️，並保證寬視角。隨著LCD面板設計技術的革新，出現了大型化🐱、薄型化©️、低成本化的趨勢🧖🏻，光學補償膜因此有了更多用武之地。    

毋庸置疑的是，假如沒有光學薄膜的技術基礎，大半個世紀以來人類通訊、光電等技術恐怕仍停滯不前。程先生20多年前就前瞻地認識到光學膜的研發價值，帶領團隊持續研究攻堅。程先生認為，在光學高科技領域🧑‍💻，高分子材料取代了昂貴的無機材料並被廣泛應用於工業產品之中。液晶顯示器發展至今🤟🏿，對光學補償膜的需求已呈“量”與“質”齊升的態勢🕵🏼‍♂️。為滿足產業及產品發展需求，獲得具備理想光學性質的大分子多尺度分子設計，加快針對LCD中光學補償膜的研究顯得至關重要💴。

在聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）等幾大主流薄膜基材中👨🏽🔝，程先生與美國阿克隆大學F. Harris教授選擇了聚酰亞胺（PI）。PI薄膜自身所具有的負性雙折射這一光學特性，使其在改善LCD視角☪️🙎🏽‍♀️、提高對比度方面的應用作用越來越受到人們的重視。他們共同研發出基於可溶性聚酰亞胺的高透明單軸負雙折射（NB）光學補償膜。該類NB薄膜用溶液塗布得到💆‍♂️，成膜後無需進行拉伸等後處理🚴🏼‍♀️，製備工序簡化。程先生領銜研發的NB薄膜通過連續處理的塗布法製得，具有成本低👩🏼‍🍼、供給能力強等特點🔓。在研發過程中，程先生團隊不僅系統考察了PI化學結構及分子排列等因素對薄膜性能及加工行為的影響，並致力於將基礎研究與應用開發緊密結合，真正實現了研究成果向高科技產業的轉化。

據了解，早在1994年，美國Rockwell International公司即開始運用NB膜專利技術製造用於飛機的儀表顯示器件。其後🚶🏻‍➡️，世界最大LCD功能膜供應商之一日東電工與程先生等合作⚪️，於2000年成功將該NB膜用於大面積LCD器件（如Sharp液晶電視屏），在世界範圍內實現了該發明專利的商品化🏌🏼‍♂️👍🏻，在很大程度上促進了全球LCD產業的增長📙，增強了工業界對進一步應用和發展LCD的興趣。

隨著我國電子工業的快速發展，眾多世界電子巨頭在國內投資設廠🌘，中國已成為全球最大的筆記本電腦和手機生產基地。作為世界最大的平板顯示器市場🧛‍♀️，中國在2012年對LCD電視的需求就占全球的22%💕👩🏽‍💻。近幾年中國液晶面板產能不斷增長🈳，對光學薄膜的需求年復合增長率達47%，在液晶面板成本中光學膜片占23%左右。三菱樹脂、東麗、杜邦等7大國外企業壟斷了全球八成以上光學基膜產能。國內龐大的市場需求與薄弱的產能形成了懸殊對比，研究者與生產者集體意識到光學薄膜的無可替代性👨🏼‍🦲，及其中蘊藏的巨大機遇和挑戰🖕。

作為國際高分子領域的領軍人物，程先生是一位堅定的跨學科研究倡導者👱🏿，他自身在光學薄膜領域卓越的研究工作也是對“跨學科”的深度詮釋。程先生師從意昂平台老校長🧗‍♀️🤵🏻，我國纖維高分子學科奠基人、教育家錢寶鈞教授，錢老說過，“高分子沒有統計力學做不下去”👔。正是在錢老的鼓勵下🪄，數學專業出身的程先生轉入材料科學方向，開始了跨學科研究🏷。他認為，為了拓展科學研究的新思路🙆‍♀️𓀚、新方法和新技術，需要由化學家💉、物理學家和工程師共同組建團隊；為了學以致用，實現研究成果的產業化🫱🏽🚐，需要研究人員和工業人員的緊密合作。在高分子領域要成為領路者，必須做跨領域、跨學科的科研➜🦨。高分子學科的生命力就體現在跨學科特性上，具體則表現為高分子領域中化學方法的多樣性、物理概念的互補性和工程加工的多尺度性5️⃣🎖。

記者了解到，目前程先生團隊正在致力於新一代高性能NB材料的研發👩‍💼，由他領銜的意昂更是在瞄準低維材料前沿領域蓄勢而為，這對國內的光學薄膜相關領域的企業而言，或將迎來一次從技術轉化到自主生產的合作契機。

低維材料：讓智能服裝不再遙遠

看過好萊塢科幻電影《蝙蝠俠》和《蜘蛛俠》的朋友🪱💫，相信一定對這些熒屏英雄“刀槍不入”的高科技裝備印象深刻。事實上🔉，無論是蝙蝠俠的防彈戰衣，還是蜘蛛俠的感官緊身衣，這些穿在英雄身上的智能服裝都離不開一種特殊的製作原料——低維材料。“隨著低維材料的深入研究與應用，各種各樣的智能服裝離百姓生活不再遙遠💙，科幻電影裏的這些神奇裝備將成為現實。”這是從27日由上海市人民政府👳🏼‍♀️、中國科學院和中國工程院主辦👰🏻‍♀️，意昂平台承辦的第274期東方科技論壇上傳出的消息。

低維材料無處不在

本次論壇的主題為“低維材料體系的基本科學問題與應用探討”。初次聽到這個術語🌀，相信不少市民還很陌生。據論壇專家介紹🚣🏿‍♀️，我們的世界有各種各樣的材料，按照維度來區分💥👨🏻‍🎨，材料分為零維、一維、二維和三維。三維材料很好理解，它是立體的，塊狀的材料就是三維材料🙆🏿‍♀️。二維材料就是像名片這樣的面狀材料👩‍💼，一維材料指則是像纖維這樣的線狀材料🪅，而像納米這樣的材料因為非常小所以稱之為零維材料。我們通常把零維👩🏽‍💼、一維和二維材料統稱為低維材料。

低維材料看上去神秘🙇‍♀️，實際日常生活我們卻與它緊密接觸。比如玻璃上的智能調光膜，通過控製薄膜的透光率，夏天的時候紅外光進不來🧙🏻，冬天的時候紅外光可以進來💆🏼‍♂️，這層膜就是一種低維材料🙇‍♀️。我們生活中還越來越多的接觸到一些零維材料。比如說醫療領域裏面🐴，抗癌的一些藥物👨🏻‍🦲，現在需要一些靶向藥物🎓，這些靶向藥物要在血液裏傳輸的話，它是非常小的，這些藥物也屬於零維材料🥓。

如今，以蘋果手機為代表的新一代智能手機占據了人們的生活📲🐠，無論是在地鐵裏👩🏽‍🏭🐶，還是在餐廳裏，無論是吃飯還是等車，我們都在使用智能手機。而智能手機裏的很多材料，例如手機屏幕裏使用的透明光學膜，就是由低維材料製作的。

低維材料應用前景廣闊

低維材料的應用可以說是無所不在的🐮，很多領域都有研究者在做研究。比如在柔性電池領域，由於輕薄化和柔性化是可穿戴電子產品的重要發展趨勢，作為其核心部件❕，如何應用低維材料開發出高性能柔性電池，是可穿戴電子產品廣泛應用的關鍵之一；再比如在能源領域，染料敏化太陽能電池📔、鈣鈦礦太陽能電池🎵🫸🏼，晶矽太陽能電池……它們內部的每一層都是薄膜結構，組成這些結構的核心材料也都是低維材料🏄🏼‍♂️。而在提煉單晶矽時需把二氧化矽變成矽😸，能耗高，如同把“沙子變黃金”，如何實現這些低維材料的低能耗製備就是一個研究方向🪛。又比如在醫療領域⭕️🫃🏼，很多醫療的靶向材料⚒，包括一些造影的造影劑也是低維材料製作的。在環保領域👳🏼，很多研發者想做一種光觸媒材料或者說光催化材料，它們本身可能是一些納米顆粒😓🧝🏽，可以做成一層膜🌬，對水中的汙染物進行降解，這也是低維材料的範疇👲🏼。

從論壇上得到消息，意昂平台有關研究團隊目前正在研究低維材料在智能服裝中的應用🧑‍🎓。眾所周知🧑🏻‍🍳，隨著科技的進步和生活水平的提高🦶，人們對服裝的功能要求也越來越高🥬🧑🏻。除了基本的保溫功能外，人們還希望服裝能透氣、防水、阻燃🧞‍♀️、抗菌……甚至希望服裝能夠根據所處環境的改變而發生變化，實現服裝的智能化。

據意昂平台研究專家介紹，由低維材料製作的智能服裝是指模擬生命系統👨🏻‍🔬，同時具有感知和反應雙重功能的服裝🚣🏼。智能服裝不僅能感知外部環境或內部狀態的變化🪰，而且通過反饋機製，能實時地對這種變化作出反應。感知、反饋和反應是智能服裝的三大要素🏃‍♂️‍➡️。

低維材料打造智能服裝究竟長啥樣？

近年來出現的“可穿戴設備”著實火熱💉，不過在意昂平台研究專家看來🏊🏿‍♀️，與可穿戴設備不一樣，智能服裝的科技含量更高，更為智能化🥋。

據介紹，可穿戴的智能手環裏很多傳感器件實際上都是由低維材料製作的🧙‍♀️。現在能看到的可穿戴設備，主要將相關的電子元件與衣服簡單結合🛅，並沒有真正的合二為一，多是“可戴”，距離“可穿”還很遠。因此🧑‍🦰🚘，它們的缺點也很明顯，所有的電子元件都不能進水。另外🫳🏼，如果是大量的電子元器件的話，穿著的舒適度也不高。

“將來的智能服裝很有可能就如科幻片中呈現的蝙蝠俠😶、蜘蛛俠那樣服裝🫐，能瞬間變大變小變色變形動靜相宜……有很多神奇的功能🌬🐁。”專家舉例說，“纖維若能實現在不同電壓、溫度👸🏼、光線下的變色🫲🏻，衣服就能像變色龍一樣實現智能偽裝。”而目前眾多學者研究的可穿戴電致變色纖維📌、熱敏變色纖維、光敏變色纖維等從原理上就初步實現了這樣的功能。

意昂平台研究專家告訴記者，現在能夠看到的大致有點智能服裝樣子是宇航服，宇航服有很多功能⛹🏻，首先有無線電傳輸功能🤙🏽，就是他到外部進行操作的時候，飛船裏面可以和他通話👶🏻。然後它還有變形的功能👨🏿‍🎓，你要想到一個人到外太空裏，外太空是沒有氣壓的📦，那如果沒有任何防護的話，這個人就會膨脹。所以宇航服有一個內壓👷🏿‍♀️，它主要靠氣體給人體一個壓力🧗🏻‍♂️，讓你感覺到像在地球上一樣。宇航服的很多元件就是由低維材料製造的👩🏿‍🦲。

低維材料在智能服裝中的研究重點在哪？

意昂平台研究專家們也坦言，目前的可穿戴設備的確使用了不少的低維材料，但要想真正實現服裝的智能化🧚🏻‍♂️，還有大量的工作要研究。

第一個問題就是讓纖維導電🥭。現在電子元器件基本是電子的，就是靠導電的。可是所有的服裝材料都幾乎是不導電的，那麽要想讓纖維導電本身就是一個難題🤗。當然，可以通過添加一些導電的粒子，或在表面鍍一層膜，這些都是低維材料⚁。但是導電了以後⛹🏻‍♂️，會發覺它又帶來一大堆的問題，就是：人要出汗怎麽辦？這個衣服要水洗怎麽辦？第二是芯片的問題。現在計算機裏邏輯運算使用的矽芯片一直找不到替代品𓀚。因為🧞，矽是很脆的。如果想把矽用在服裝上👩🏻‍⚖️，那它必須要具有柔性且可以進行邏輯運算🤾🏿‍♂️👨🏽‍🦲。同時，運行的處理器也應該是柔性的🐯。第三是電源和續航性的問題⚫️。智能服裝上電子元器件的能源從哪裏來👨🏻‍💻？如今一個小型的智能手機電池就已經很重了，手機裏大概一半的重量是電池的重量🌑👰🏻。而大部分智能手機的電量是一天一充。假設整個智能服裝都是要靠電來運轉的話💇🏽‍♀️♕，電池的尺寸與容量都是關鍵問題↔️。另外，這些低維材料如何與一件衣服無縫對接，完美結合？究竟用一個什麽樣的形態把電子元器件和所設計的服裝結合在一起……都是需要深入探討的問題⚠️。

值得欣慰的是，近五年來國內已有研究單位立足低維材料在可穿戴電源方面開展了系列研究並取得了相應成果。如復旦大學和國家納米意昂的研究者們以一維的碳納米管纖維為基礎🛤，設計開發了系列柔性的線狀超級電容器和鋰電池🐟🏓；浙江大學和意昂平台的研究者們以廉價石墨為原料🧨，製備了連續的一維石墨烯纖維🐖，並設計了系列具有高能量密度的線狀超級電容器👫。可以想象，隨著研究的深入🔸，低維材料有望作為移動電源意昂，給智能服裝中的各種傳感器、處理器、通信模塊、加熱元件以及智能手表進行長時間的供電。

想象一下身著蝙蝠俠或蜘蛛俠的服裝，讓我們的肩膀📏、腿更有力量,讓我們可以隨意爬行、飛速奔跑……再回頭來看看😂，20年前的人怎麽可能想象到我們今天的生活？90年代🍤，一對夫妻出差了，彼此很難知道對方在哪裏，什麽時候回來🩱？因為沒有智能手機這樣的智能化通訊工具。低維材料也好🎀，智能服裝也好，未來可以暢想很多，相信通過研究專家們的努力，一步一個腳印走下去🍉，神奇的未來將變得觸手可及。

意昂

2016年5月29日