何为超强蚕丝？它的性能发生了怎样的改变？蚕丝可以导电？还能够做成智能器件？它又是如何被赋予了全新的功能？素来享有“纤维皇后”美誉的天然蚕丝遇上高科技是怎样的一番景象？跟随张莹莹研究团队，走进清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心，一探究竟。所谓管中窥豹，可见一斑，传统蚕丝经过高科技变身，在柔性可穿戴领域有着巨大的潜力，去参与智能未来的编织;同时， 每一项研究成果都是科学家们智慧的结晶，见证着科学家们坚韧的精神领域科学创新之路。
　　科技变身之超强蚕丝的制备
　　如何让蚕丝可以更轻盈更强韧，从而制备改性蚕丝呢？
　　石墨烯是由纯的碳原子组成的一种纳米碳材 料，拥有着非常高的轻薄度、强度及导电导热性能。通过将石墨烯溶液喷涂在桑叶上，喂养幼蚕，从而制备出掺杂有碳纳米管和石墨烯的超强蚕丝。听起来有些异想天开。然而，事实证明，蚕宝宝很适应这种含有高科技添加剂的新食物，不仅健康成长，成活率百分之百，而且真的吐出了含有石墨烯的蚕丝！最后测试蚕丝的力学性能，发现蚕丝强度提高了64%， 韧性提高了 113%。
　　研究中心将获得的改性蚕丝进行高温碳化，基于碳纳米管、石墨烯的模板诱导作用，使得蚕丝在碳化过程中石墨烯化程度提升，其对应的碳化纤维电导率显著提高。
　　该系列研究提供了一种操作简单、具有生物友好性、可大规模制取力学增强的改性蚕丝纤维的方法，同时在新型纺织品、可穿戴器件等领域具有一定的潜在应有价值。这项研究被中国科学院科技战略咨询研究院评选为“2016 全球最受公众关注的科学成果”之一。
　　科技变身之智能器件的制备
　　近年来，可穿戴设备逐渐地走向每个人的日常生活，从简单的计步手环到复杂的心率睡眠监测手表，正带来一次改变人类生活方式的重大变革。
　　然而，多数可穿戴设备通常是传统设备的小型化和便携化，还不具备真正的柔性，更缺乏舒适性、透气性等特点。我们传统的丝绸制品虽然柔软、舒适、透气，但是不具备导电性和相关的功能性。如何让传统的丝绸制品变身为适用于新型智能设备的科技产物，成为智能丝绸，也是研究中心科研团队的致力点。
　　有幸接触到该研究中心科研团队在这方面的几项科研成果，以此认识一下由传统蚕丝变身而来的几例智能器件吧。
　　第一例
　　采用市场上购得的真丝面料，首次发展了高温热裂解桑蚕丝绸并用于制备高性能柔性拉力传感器的策略，走近制备智能丝绸的梦想并获得了一定的成果。由于桑蚕丝绸固有的编织花纹，所获得的碳化丝绸具有“纳米石墨晶-微米级纤维—宏观编织图案”多级结构，同时具有柔性、高导电性和高可拉伸性的特点，将其包埋于弹性聚合物中所制备的柔性拉力传感器兼具高灵敏性和宽应变工作范图的性能。
　　第二例
　　基于蚕丝纳米纤维薄膜， 碳纳米管/石墨烯薄膜， 指纹状石墨烯薄膜分别获得了高性能柔性压力传感器的制备方法。
　　以桑蚕丝作为原材料，通过静电纺丝及高温碳化将其转化为微晶石墨化纳米纤维膜，制备出一种有超高灵敏度、高透明度、低检测极限、超低响应间、可阵列化集成的 “蚕丝电子皮肤”。然后通过碳纳米管薄膜上原位生长石墨烯或者直接用化学气相沉积方法制备指纹状石墨烯，从而获得导电性好、透光性高、具有“立体指纹结构”的纳米碳薄膜并利用直接印模植物叶片表面多级微結构的方法得到具有微结构的柔性基底。将两者结合得到高灵敏、低检测极限的柔性透明的薄膜状压力传感器。
　　以上器件均有着出色的性能和实际应用。例如，可将力学传感器直接贴于人体皮肤或负载在衣物、配饰上，用于检测大运动（例如跑步、跳跃、踏步、手指弯曲、腕部活动等）;也可用于检测微弱生理信号或者小运动（例如脉搏、呼吸、微表清、发声、心电、脑电等），不夸张地说，在做心电监测时，不需用耦合剂，也不会受到运动的影响。若将其与信号处理及命令生成系统集成，还可实现对人体运动和生理信号的实时捕捉与重建，从而服务于未来的虚拟科技发展、健康与运动管理、大数据采集与社会行为分析等。
　　当然， 目前取得的智能器件成果远不止于此，该研究中心科研团队还开发了一系列其他的柔性器件。这些器件集成起来均可用于制备全蚕丝基柔性可穿戴器件和智能织物，从而为高性能可穿戴电子器件的低成本、大规模制备及功能化集成提供了新的途径，向我们展示着蚕丝在未来可穿戴智能领域的无限可能。
　　1. 张莹莹老师演示如何使用可穿戴设备
　　推荐单位 / 北京科学技术期刊学会
　　成果来源 / 清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心
　　科研代表 / 张莹莹 转化作者 / 高敏、王琪