低维材料：光学膜让“视界”更“晶彩”

70英寸以上的超大屏幕液晶电视机画质高清逼真，即使180度观看，视角不受限……种种优越性能同时实现的背后，离不开光学补偿膜这个低维材料家族成员。

从眼镜、数码相机到电脑、电视、手机，甚至人民币上的防伪技术，光学薄膜在生活中可谓无所不在。它属于典型的低维材料，是在光学元件或独立基板上，制镀上或涂布一层或多层介电质膜或金属膜或这两类膜的组合，以改变光波透射、反射、相位改变等传递特性，花色繁多的性能让人们的“视界”变得丰富多彩。

光学补偿膜作为光学膜的一种，充当了液晶“视界魔法师”的角色，可对各种显示模式下液晶在各视角产生的相位差进行修正，即让液晶分子的双折射性质得到对称性补偿。此外，它还能有效降低液晶显示器暗态时的漏光量，并在一定视角内大幅提高影像对比、色度，克服部分灰阶反转问题。

近年来，液晶显示器（LCD）在信息产业中得到广泛应用，而视角受限不对称、对比度低等问题阻碍了它的应用拓展，补偿膜凭借其神奇的光学性能成为最简单的解决方案之一。除对称性补偿外，补偿膜还能使不同角度观看的影像失真度最小，并保证宽视角。随着LCD面板设计技术的革新，出现了大型化、薄型化、低成本化的趋势，光学补偿膜因此有了更多用武之地。    

毋庸置疑的是，假如没有光学薄膜的技术基础，大半个世纪以来人类通讯、光电等技术恐怕仍停滞不前。程先生20多年前就前瞻地认识到光学膜的研发价值，带领团队持续研究攻坚。程先生认为，在光学高科技领域，高分子材料取代了昂贵的无机材料并被广泛应用于工业产品之中。液晶显示器发展至今，对光学补偿膜的需求已呈“量”与“质”齐升的态势。为满足产业及产品发展需求，获得具备理想光学性质的大分子多尺度分子设计，加快针对LCD中光学补偿膜的研究显得至关重要。

在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等几大主流薄膜基材中，程先生与美国阿克隆大学F. Harris教授选择了聚酰亚胺（PI）。PI薄膜自身所具有的负性双折射这一光学特性，使其在改善LCD视角、提高对比度方面的应用作用越来越受到人们的重视。他们共同研发出基于可溶性聚酰亚胺的高透明单轴负双折射（NB）光学补偿膜。该类NB薄膜用溶液涂布得到，成膜后无需进行拉伸等后处理，制备工序简化。程先生领衔研发的NB薄膜通过连续处理的涂布法制得，具有成本低、供给能力强等特点。在研发过程中，程先生团队不仅系统考察了PI化学结构及分子排列等因素对薄膜性能及加工行为的影响，并致力于将基础研究与应用开发紧密结合，真正实现了研究成果向高科技产业的转化。

据了解，早在1994年，美国Rockwell International公司即开始运用NB膜专利技术制造用于飞机的仪表显示器件。其后，世界最大LCD功能膜供应商之一日东电工与程先生等合作，于2000年成功将该NB膜用于大面积LCD器件（如Sharp液晶电视屏），在世界范围内实现了该发明专利的商品化，在很大程度上促进了全球LCD产业的增长，增强了工业界对进一步应用和发展LCD的兴趣。

随着我国电子工业的快速发展，众多世界电子巨头在国内投资设厂，中国已成为全球最大的笔记本电脑和手机生产基地。作为世界最大的平板显示器市场，中国在2012年对LCD电视的需求就占全球的22%。近几年中国液晶面板产能不断增长，对光学薄膜的需求年复合增长率达47%，在液晶面板成本中光学膜片占23%左右。三菱树脂、东丽、杜邦等7大国外企业垄断了全球八成以上光学基膜产能。国内庞大的市场需求与薄弱的产能形成了悬殊对比，研究者与生产者集体意识到光学薄膜的无可替代性，及其中蕴藏的巨大机遇和挑战。

作为国际高分子领域的领军人物，程先生是一位坚定的跨学科研究倡导者，他自身在光学薄膜领域卓越的研究工作也是对“跨学科”的深度诠释。程先生师从东华大学老校长，我国纤维高分子学科奠基人、教育家钱宝钧教授，钱老说过，“高分子没有统计力学做不下去”。正是在钱老的鼓励下，数学专业出身的程先生转入材料科学方向，开始了跨学科研究。他认为，为了拓展科学研究的新思路、新方法和新技术，需要由化学家、物理学家和工程师共同组建团队；为了学以致用，实现研究成果的产业化，需要研究人员和工业人员的紧密合作。在高分子领域要成为领路者，必须做跨领域、跨学科的科研。高分子学科的生命力就体现在跨学科特性上，具体则表现为高分子领域中化学方法的多样性、物理概念的互补性和工程加工的多尺度性。

记者了解到，目前程先生团队正在致力于新一代高性能NB材料的研发，由他领衔的东华大学先进低维材料中心更是在瞄准低维材料前沿领域蓄势而为，这对国内的光学薄膜相关领域的企业而言，或将迎来一次从技术转化到自主生产的合作契机。

低维材料：让智能服装不再遥远

看过好莱坞科幻电影《蝙蝠侠》和《蜘蛛侠》的朋友，相信一定对这些荧屏英雄“刀枪不入”的高科技装备印象深刻。事实上，无论是蝙蝠侠的防弹战衣，还是蜘蛛侠的感官紧身衣，这些穿在英雄身上的智能服装都离不开一种特殊的制作原料——低维材料。“随着低维材料的深入研究与应用，各种各样的智能服装离百姓生活不再遥远，科幻电影里的这些神奇装备将成为现实。”这是从27日由上海市人民政府、中国科学院和中国工程院主办，东华大学承办的第274期东方科技论坛上传出的消息。

低维材料无处不在

本次论坛的主题为“低维材料体系的基本科学问题与应用探讨”。初次听到这个术语，相信不少市民还很陌生。据论坛专家介绍，我们的世界有各种各样的材料，按照维度来区分，材料分为零维、一维、二维和三维。三维材料很好理解，它是立体的，块状的材料就是三维材料。二维材料就是像名片这样的面状材料，一维材料指则是像纤维这样的线状材料，而像纳米这样的材料因为非常小所以称之为零维材料。我们通常把零维、一维和二维材料统称为低维材料。

低维材料看上去神秘，实际日常生活我们却与它紧密接触。比如玻璃上的智能调光膜，通过控制薄膜的透光率，夏天的时候红外光进不来，冬天的时候红外光可以进来，这层膜就是一种低维材料。我们生活中还越来越多的接触到一些零维材料。比如说医疗领域里面，抗癌的一些药物，现在需要一些靶向药物，这些靶向药物要在血液里传输的话，它是非常小的，这些药物也属于零维材料。

如今，以苹果手机为代表的新一代智能手机占据了人们的生活，无论是在地铁里，还是在餐厅里，无论是吃饭还是等车，我们都在使用智能手机。而智能手机里的很多材料，例如手机屏幕里使用的透明光学膜，就是由低维材料制作的。

低维材料应用前景广阔

低维材料的应用可以说是无所不在的，很多领域都有研究者在做研究。比如在柔性电池领域，由于轻薄化和柔性化是可穿戴电子产品的重要发展趋势，作为其核心部件，如何应用低维材料开发出高性能柔性电池，是可穿戴电子产品广泛应用的关键之一；再比如在能源领域，染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池，晶硅太阳能电池……它们内部的每一层都是薄膜结构，组成这些结构的核心材料也都是低维材料。而在提炼单晶硅时需把二氧化硅变成硅，能耗高，如同把“沙子变黄金”，如何实现这些低维材料的低能耗制备就是一个研究方向。又比如在医疗领域，很多医疗的靶向材料，包括一些造影的造影剂也是低维材料制作的。在环保领域，很多研发者想做一种光触媒材料或者说光催化材料，它们本身可能是一些纳米颗粒，可以做成一层膜，对水中的污染物进行降解，这也是低维材料的范畴。

从论坛上得到消息，东华大学有关研究团队目前正在研究低维材料在智能服装中的应用。众所周知，随着科技的进步和生活水平的提高，人们对服装的功能要求也越来越高。除了基本的保温功能外，人们还希望服装能透气、防水、阻燃、抗菌……甚至希望服装能够根据所处环境的改变而发生变化，实现服装的智能化。

据东华大学研究专家介绍，由低维材料制作的智能服装是指模拟生命系统，同时具有感知和反应双重功能的服装。智能服装不仅能感知外部环境或内部状态的变化，而且通过反馈机制，能实时地对这种变化作出反应。感知、反馈和反应是智能服装的三大要素。

低维材料打造智能服装究竟长啥样？

近年来出现的“可穿戴设备”着实火热，不过在东华大学研究专家看来，与可穿戴设备不一样，智能服装的科技含量更高，更为智能化。

据介绍，可穿戴的智能手环里很多传感器件实际上都是由低维材料制作的。现在能看到的可穿戴设备，主要将相关的电子元件与衣服简单结合，并没有真正的合二为一，多是“可戴”，距离“可穿”还很远。因此，它们的缺点也很明显，所有的电子元件都不能进水。另外，如果是大量的电子元器件的话，穿着的舒适度也不高。

“将来的智能服装很有可能就如科幻片中呈现的蝙蝠侠、蜘蛛侠那样服装，能瞬间变大变小变色变形动静相宜……有很多神奇的功能。”专家举例说，“纤维若能实现在不同电压、温度、光线下的变色，衣服就能像变色龙一样实现智能伪装。”而目前众多学者研究的可穿戴电致变色纤维、热敏变色纤维、光敏变色纤维等从原理上就初步实现了这样的功能。

东华大学研究专家告诉记者，现在能够看到的大致有点智能服装样子是宇航服，宇航服有很多功能，首先有无线电传输功能，就是他到外部进行操作的时候，飞船里面可以和他通话。然后它还有变形的功能，你要想到一个人到外太空里，外太空是没有气压的，那如果没有任何防护的话，这个人就会膨胀。所以宇航服有一个内压，它主要靠气体给人体一个压力，让你感觉到像在地球上一样。宇航服的很多元件就是由低维材料制造的。

低维材料在智能服装中的研究重点在哪？

东华大学研究专家们也坦言，目前的可穿戴设备的确使用了不少的低维材料，但要想真正实现服装的智能化，还有大量的工作要研究。

第一个问题就是让纤维导电。现在电子元器件基本是电子的，就是靠导电的。可是所有的服装材料都几乎是不导电的，那么要想让纤维导电本身就是一个难题。当然，可以通过添加一些导电的粒子，或在表面镀一层膜，这些都是低维材料。但是导电了以后，会发觉它又带来一大堆的问题，就是：人要出汗怎么办？这个衣服要水洗怎么办？第二是芯片的问题。现在计算机里逻辑运算使用的硅芯片一直找不到替代品。因为，硅是很脆的。如果想把硅用在服装上，那它必须要具有柔性且可以进行逻辑运算。同时，运行的处理器也应该是柔性的。第三是电源和续航性的问题。智能服装上电子元器件的能源从哪里来？如今一个小型的智能手机电池就已经很重了，手机里大概一半的重量是电池的重量。而大部分智能手机的电量是一天一充。假设整个智能服装都是要靠电来运转的话，电池的尺寸与容量都是关键问题。另外，这些低维材料如何与一件衣服无缝对接，完美结合？究竟用一个什么样的形态把电子元器件和所设计的服装结合在一起……都是需要深入探讨的问题。

值得欣慰的是，近五年来国内已有研究单位立足低维材料在可穿戴电源方面开展了系列研究并取得了相应成果。如复旦大学和国家纳米中心的研究者们以一维的碳纳米管纤维为基础，设计开发了系列柔性的线状超级电容器和锂电池；浙江大学和东华大学的研究者们以廉价石墨为原料，制备了连续的一维石墨烯纤维，并设计了系列具有高能量密度的线状超级电容器。可以想象，随着研究的深入，低维材料有望作为移动电源中心，给智能服装中的各种传感器、处理器、通信模块、加热元件以及智能手表进行长时间的供电。

想象一下身着蝙蝠侠或蜘蛛侠的服装，让我们的肩膀、腿更有力量,让我们可以随意爬行、飞速奔跑……再回头来看看，20年前的人怎么可能想象到我们今天的生活？90年代，一对夫妻出差了，彼此很难知道对方在哪里，什么时候回来？因为没有智能手机这样的智能化通讯工具。低维材料也好，智能服装也好，未来可以畅想很多，相信通过研究专家们的努力，一步一个脚印走下去，神奇的未来将变得触手可及。

东华大学先进低维材料中心

2016年5月29日