根据一项新的研究，受折纸术启发的工程技术可以帮助研究人员开发用于柔性等离子显示屏的弹性导体，最终甚至可以开发可弯曲以追踪太阳光的太阳能电池板。
全球越来越多的研究人员正在开发柔性电子产品，例如 电池 和太阳能电池板，这些产品有朝一日可能会应用于服装甚至人体内。但是，为了制造诸如导线和电极之类的部件，科学家们需要同样柔韧的导体。
然而，弹性导体难以设计；研究人员表示，现有的导体要么弹性不足，要么在拉伸时导电性会急剧下降。[改变世界的十大发明]
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现在，科学家们首次使用一种被称为 剪纸 的折纸术变体来制造可拉伸的导体。传统的折纸术仅使用折叠来创建结构，而剪纸术则同时使用折叠和切割。
通常，当材料被拉伸时，它们可能会撕裂，从而降低其 导电性，从而降低它们将电从一个地方输送到另一个地方的能力。此外，很难预测何时何地会发生撕裂，这使得难以准确了解材料的特性可能会发生怎样的变化，研究人员说。
剪纸切割降低了 导体 的导电性。然而，研究合著者、密歇根大学安娜堡分校的计算科学家莎伦·格洛策尔说，当导体被拉伸时，它们的导电性保持稳定。“切割和折叠导致材料不再仅仅停留在二维空间，而是弹出到三维空间，这赋予了它这些非凡的机械性能，”格洛策尔告诉《生命科学》。
这项工作的想法源于纸艺家马特·什利安和材料科学家马克斯·施泰因之间十多年的合作，他们都来自密歇根大学安娜堡分校，并且是这项新研究的合著者。这些设备的设计灵感来自什利安的一件艺术作品，他切割了一张纸，使其在拉伸时延伸成一种人字形网格——一种用于某些织物的之字形图案。
施泰因告诉《生命科学》：“马特首先找到我们科学家，因为他觉得他的作品可能对科学家很有趣，而且他也在为他的艺术寻找灵感。吸引我的是当时我正在探索如何创建可以编织和针织的电路，而他可以直观地思考如何从二维过渡到三维。”
首个受剪纸启发的弹性导体原型涉及覆盖着碳纳米管的纸张——碳纳米管是只有纳米级或十亿分之一米宽的碳管，具有卓越的导电性。使用的剪纸图案相对简单，切割类似于一排排短划线，打开后类似于一个奶酪刨丝器。[你从未听说过的 8 种化学元素]
当将此剪纸原型放入充满氩气的玻璃管中并通电时，弹性导体将氩气转化为发光等离子体，类似于霓虹灯。研究人员认为，此类设备的阵列可能有助于构成可拉伸的等离子显示屏。
然后，研究人员通过从 氧化石墨烯 薄片中创建微观剪纸进一步发展了他们的概念，氧化石墨烯是一种由原子厚度的碳和氧层组成的材料。他们将这些氧化石墨烯薄片与柔性塑料夹在一起，每种材料最多有 30 层。借助激光和等离子体进行了只有十分之几毫米长的切割。
研究人员说，最终，剪纸图案可以将这些导体的拉伸能力从 4% 大幅提高到 370%。“表面上坚硬且容易发生灾难性故障的物体可以表现出很大的屈服，”施泰因说。
此外，研究人员开发的计算机模型帮助他们准确地了解了剪纸图案如何影响弹性导体的行为。这可以帮助他们为特定应用选择最佳的剪纸图案。“这为基于计算机的材料工程开辟了一个全新的可能性领域，”研究合著者、密歇根大学纳米化学家尼古拉斯·科托夫告诉《生命科学》。
这些弹性导体的一个潜在应用是太阳能。“我们有兴趣开发一种廉价、经济、可扩展的方式来制造可以跟踪太阳的太阳能电池板材料，”格洛策尔说。
格洛策尔补充说，折纸和剪纸最终可以作为一种使用折叠来存储信息的方式。“我们开始探索设计中几乎无限的可能性空间，”她说。
科学家们今天（6 月 22 日）在《自然材料》杂志上在线详细介绍了他们的发现。
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