基于周期性几何结构的柔性智能纤维材料-人造蜘蛛丝、人工肌肉、柔性电子与制冷

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刘遵峰，南开大学特聘研究员。

研究方向为：仿生智能高分子材料，包括高强韧人造蜘蛛丝、人工肌肉、柔性电子、柔性制冷等。第一作者和通讯作者在Science , Nat. Commun., Adv. Mater.等国际学术 SCI 期刊上发表研究论文 50 余篇。其中2015年关于可拉伸导体的研究工作被美国《Discover Magazine》评选为2015年度全球TOP100重大科学发现；2019年关于“扭热制冷”的工作开创了新型固态柔性制冷新方法，大幅提高了制冷效率；研发的水凝胶纤维人造蜘蛛丝强度与韧性性能接近天然蜘蛛丝；基于蚕丝、棉纤维、竹纤维、动物毛等发展了多种智能织物。多篇关于柔性健康监测的文章被选为封面文章，受邀撰写多篇综述，申请中国专利20余项，在多个国内外学术会议做邀请报告60余次。入选国家高层次青年人才支持计划，获得天津市杰出青年基金，第十二届江苏省优秀科技工作者等荣誉称号。

摘要：捻度的加入引入了手性，放大了纤维在湿度下的长度变化，率先发展了基于捻曲结构的蚕丝等全天然纤维材料的智能响应性织物。研制了“捻曲核壳结构”的水凝胶纤维，实现了类蜘蛛丝的多层次结构特征，首次通过有机高分子合成实现了接近天然蜘蛛丝的强度和韧性。捻曲结构减小了材料的熵，突破性的使弹性体的制冷效率从32%增加到67%，这是高分子弹性体被发现作为弹热制冷以来，制冷效率的大幅度提高。并发现了多种基于捻曲结构的弹热制冷材料，拓展了固态制冷技术的板块。发展了基于零泊松比褶皱结构的弹性导体，并实现了导电通路的调控，制备了200%应变下高线性的电阻型应变传感器，解决了电阻型应变传感器大形变下线性差的问题；并基于此，构建了多层次协同作用的模拟神经传导、应变传感、驱动为一体的人工肌肉纤维。

Publications:

1. Xiang Zhou, Shaoli Fang, Xueqi Leng, Zunfeng Liu,* and Ray H. Baughman*. Power of the Fiber Twist. Acc. Chem. Res. 2021,https://doi.org/10.1021/acs.accounts.1c00112

2. Run Wang^#, Shaoli Fang^#, Zunfeng Liu*, Ray H. Baughman* et al. Torsional refrigeration by twisted, coiled, and supercoiled fibers, Science, 2019, 366(6462): 216-221.  

3.Yuanyuan Dou, Zunfeng Liu* et al. Artificial Spider Silk from Ion-Doped and Twisted Core-Sheath Hydrogel Fibres, Nat. Commun, 2019, 10, 5293.  

4. Zunfeng Liu, Shaoli Fang*, Ray H. Baughman* et al. Hierarchically Buckled Fibers for Superelastic Electronics, Sensors, and Muscles, Science, 2015, 349(6246): 400-404 .

5.Tianjiao Jia, Zunfeng Liu* et al. Moisture Sensitive Smart Yarns and Textiles from Self-Balanced Silk Fiber Muscles, Adv. Funct. Mater, 2019, 29(18): 1808241 (1-12).

江苏省新型高分子功能材料工程研究中心