首页
>>党建强会>>科学家精神
姜汉卿:在折纸中找电池开发灵感

时间:2021/05/18

字体:[ ]
64.2K

姜汉卿研发的可食用PH胶囊   西湖大学供图 

   6月21日,西湖大学二号楼再迎新团队入驻,来自美国亚利桑那州立大学教授姜汉卿及其团队正式加盟西湖大学工学院。 就在加入西湖大学前夕,姜汉卿刚刚获得美国机械工程师协会颁发的伍斯特·里德·华纳奖章,以表彰他将“硬薄膜与软基底结合,探索了该结构在大变形时的后屈曲特性,并将其应用在很多领域”的开拓性贡献。
   该奖项成立于1930年,每年仅颁发给一位对工程文献有杰出贡献的科学家,现代应用力学之父铁木辛柯也曾获得此奖章。   但姜汉卿的贡献远不止于这一个领域。他是一名善于跨界创新的高手。

   来自折纸艺术的灵感 

   姜汉卿2001年博士毕业于清华大学力学系,2006年加入美国亚利桑那州立大学,2016年获得正教授职位。他出身于固体力学,师从清华力学泰斗、中国科学院院士黄克智,之后从力学研究跨界到材料学研究。主要从事柔性电子与软/硬异质性材料研究。   这样一位脑洞大开的创新者,会给人们带来怎样的惊喜?
   2012年,姜汉卿在学术休假期间拜访了一位数学领域的朋友,正巧那位朋友在研究折纸,这完全是一个艺术和数学领域,看似与力学无关,却犹如掉落在牛顿头上的苹果,瞬间激发了姜汉卿的灵感。“如果把折纸艺术运用到柔性电子材料中,让这种材料折叠成很小一块,也可以展开到很大的面积,会发生怎样有趣的事?”  
 很快,他的研究团队将注意力集中在如何在机械超材料领域引入折纸概念的研究工作上。所谓机械超材料,是指并非自然形成,而是人为构造的材料结构,材料的性能不依赖于材料的分子结构或者晶体结构本身,主要依赖于其精巧的构型里面的结构细节。 
   通过学习折纸与剪纸艺术,他们将构造锂电池需要的封装材料,电极材料及隔膜切割成相同形状但不同大小的图案,然后堆叠在一起进行整体封装,封装后通过折纸中采用的旋转和折叠最终成型。如此一来,它便可以在面积上实现十几倍的反复拉伸、弯曲和扭转,同时保持着电池容量和输出功率不变。 
  这样的折叠电池非常适合集成在智能穿戴设备的狭小且形状不规则的空间中,可以用于智能手环、柔性手机、心率追踪器等各种需要柔性拉伸的可穿戴电子产品,在缩小电池空间的同时,大幅度提高了使用时间。  
 为锂金属电池巧妙解压   第二个天马行空的故事也来自于我们的日常生活。
   很多人知道,给手机充电时,因为使用不当或者服役时间过长,有时候电池会膨胀发生变形,甚至爆炸。我们的选择往往是换电池,或者换手机。出身于力学领域的姜汉卿,却看到了不一样的问题:有变形就一定有力学问题。 
   事实上,这正是锂金属电池技术的一大壁垒。锂金属在用作电池的阳极或负极时,表面会生长出针状物,出现不可控的锂枝晶,引起有害的副反应而降低能量密度,严重时会导致电极短路进而引发火灾或爆炸。
   当众多科学家试图从材料或电化学的角度来解决这个问题时,姜汉卿和他的研究团队却另辟蹊径,从机械工程的角度来寻找解决方案。
   城市路面的水泥地,隔一段距离就会留一条缝隙,因为水泥的膨胀系数比较大,天热的时候,没有空隙的水泥膨胀后会断裂,导致路面破碎。   如果在水泥块之间加个木条呢?水泥受热膨胀时会挤压木条而不会轻易断裂。
   姜汉卿团队借鉴这个方法,用三维聚二甲基硅氧烷层作为电池中锂金属阳极的基体材料,有效地抑制锂枝晶的形成,从而大大地延长电池寿命,减少安全隐患。
   这不仅对锂离子电池和锂空气电池有意义,对其他金属阳极电池也有很大的意义。因为几乎所有用作电池阳极的金属都会产生枝状晶体,比如,锌、钠和铝电池等。 

   可以吃的储能器件 

   “可以吃的储能器件”,这算得上姜汉卿最为妙趣横生的研究之一。   柔性电子材料的出现,让可穿戴和可植入的电子设备逐渐走进人们生活当中,给人们带来极大的便利。如果可以将电子设备“吃进去”呢?那还会有哪些我们想象不到的应用场景?   姜汉卿脑洞大开,利用生活中可以食用并且还具有电子性能的食材,比如海苔、芝士、食用金银泊,制作出了可以食用的超级电容器。
   这样的超级电容器可以吃,还可以被消化,那么就可以用来为一些微小的仪器设备供电,用于检测人体的内部的生理状态,避免了侵入式检查给患者带来的痛苦和不适。
   比如,胃食管反流就是困扰许多人的疾病之一,大部分医生都是根据经验给药,剂量并不精准。姜汉卿利用可食用电子材料开发了一款酸碱度胶囊,患者只要服用胶囊使其进入胃部,便可以实时监测胃酸并通过无线电信号反馈。一段时间以后,它便会被胃酸消化掉。
   如果有更多这样的电子器件以恰当的方式植入或进入人体,未来实时诊疗电子器件可能大有作为,人类对于自身的认识也将被无限扩展。   喜欢挑战,喜欢做不一样的事   姜汉卿到西湖大学报到的那天,杭州正是阴雨蒙蒙,但他却意兴盎然,在解除隔离后立即赶赴学校,背着行囊跟着助理,去一个个办公室“串门”。
   在此之前,他已经提前加入工学院的PI群,隔离期间就在群里找人聊天,发现很多可能的合作机会,可以做更多更有意思的学科交叉研究。 
   比如折叠电池,加入西湖大学后,他想把这种材料与机器人结合起来。“机器人有非常坚硬的工业机器人,也有非常柔软的硅胶机器人。而折纸有很好的性能,因为这个材料可能很软,但是折叠完之后可能会变得很硬,基于折纸结构的机器人就可以随时调节软硬程度。”   另外一个学科融合的方向是把力学和数据科学结合起来。与姜汉卿一起回国的其亚利桑那州立大学团队中的博士后研究员吴玲玲认为,将力学与数据科学交叉融合,将是未来机械超材料的重要研究方向。 
   在姜汉卿眼里,学问有很多种做法,每个领域都有各自的特点,没有高低之分,只跟兴趣有关。“有人愿意做非常深入、细致的工作;也有人喜欢跨多个领域开展比较开放性的工作,我偏重于后者。”回到国内,他更想充分发挥国内的平台优势,从科学研究的兴趣发源,到产品化工程落地,实现从实验室到百姓家的完整过程。 
   但是不管如何跨界,有一个原则不会变,就是姜汉卿经常对学生说的,要做最好的研究,不要只想着针对某个问题发文章。“科研需要创新,要有societal impact(社会影响),要对这个社会真正有贡献。”  


【打印本页】
【关闭页面】