從綠色新能源塑料（PVDF）到“人造肌肉”的轉變

　　北京時間2015年3月26日，美國丹佛，一種用于過濾器和管道的塑料表現出一個不尋常的特征：當拉或壓它時可以產生電流。這種能力已經有了小規模應用，目前研究人員正在制取這種材料的纖維來獲得更大的電流，從而能獲得從綠色能源到“人造肌肉”的更大范圍的應用。他們將在“美國化學學會（ ACS ）第249屆全美會議暨博覽會”上以一種新穎的形式匯報這種塑料材料取得的進展。

　　“在過去的幾年里，我們已經做了很多關于聚偏氟乙烯（PVDF）的工作。”得克薩斯大學達拉斯分校（UTD）的Voit博士提到。 “如果我們在一定的條件下生產PVDF的話，我們可以把它做成壓電體，這意味著如果拉伸它，它會產生電流。或者把電壓加到材料表面，可以改變其形狀。”

　　PVDF等其他具有相似特征的材料已經邁入現代技術行列，比如：觸摸屏中的壓力傳感器和電子器件中的傾斜傳感器。但是如果它們的壓電性能得到了顯著提升，它們的潛力可以遠遠超出第一代的應用。

　　通過與弗吉尼亞理工學院暨州立大學的Priya博士合作， Voit已經在這一目標上取得新的進展。他們帶隊努力研究了“軟”聚合物基。能量收集材料是“能源材料和系統收集中心”的一部分，同時也是一個以能量采集和運動控制技術的發展為中心的美國國家科學基金會的項目。

　　Voit實驗室的博士生Cary Baur，想出了一個辦法把有機納米結構（即“巴基球”）和單壁碳納米管摻雜到PVDF纖維中來提高其壓電性能，其中“巴基球”是碳原子做出來的的微小球體。科學家正在以各種方式利用這種有趣的近親特性。

　　在Voit對這種材料研究的實驗中，碳納米結構甚至可以增加電場的整體強度。因此，Voit提到，該PVDF雜交碳是科學文獻中目前最好的壓電復合材料。

　　把這些紗狀結構做成人造肌肉，即如果通過電流或改變溫度，這些材料就有拉伸和壓縮形變，那么還需要對它們進行改良。Voit的同事提出實現這個目標的一種方法。Ray Baughman博士用約10根人發寬度的尼龍纖維束纏繞成一個長的，緊密的線圈，就像一個老式的電話線，但在規模上要小得多。該結構可以在加熱時有近50 ％的收縮，并且可以承受約16磅的重物。

　　“其效果類似于拉橡皮筋， ” Voit說。 “橡皮筋盤繞時，你拉伸時可以得到更多應變。”

　　Voit 希望用他的PVDF碳纖維產生相同的效應，這是比尼龍好得多的壓電材料，并且對電流能產生同樣的效果。 他說：“我們必須把它盤繞起來，在它形狀復雜時保證有正確的壓電特性。實現這個目標才是我們真正的秘密武器。最終，它可以用來建立合成肌肉，可以使假肢更加逼真。”

　　Voit提到，他所研究的材料的另一個吸引商業利益的潛在用途是收集能量。波音公司為他的研究提供了一些資助，他們對飛機上乘客產生能量的用途感興趣。因為他們坐下、站起來、調整自己的座位可以用來給飛機里的一些設備供電，例如房間里的頭頂燈。Voit說，這將使航空公司減少一些電纜，可顯著減輕飛機的重量并節省燃料。

　　“現在我們正在想盡辦法在更大的程度上進行加工，來制造出大容量能量收集設備和實用的人造肌肉”， Voit說。