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第188位講者：彭慧勝 復旦大學高分子科學系教授 先進材料實驗室Principle Investigator 我想跟大家分享一個科學故事，這個故事的主題是：一類神奇的纖維材料與器件。 談到纖維，大家可能比較熟悉，衣服的基本單元就是纖維，纖維衣服最基本的作用就是防寒保暖。但是，大家能否想象，在不久的將來，一件衣服可以發電、可以治病，可以讓你飛檐走壁。 故事首先從能源講起。 在日常生活中我們常見的能源器件分兩類：一類用于發電，叫能源轉換器，比如太陽能電池；另一類用于儲存能量，比如鋰離子電池或超級電容器。對于這兩類能源器件，我們通常見到的是板狀或塊狀結構，是剛性而且比較笨重的。 這個結構限制了它們在很多領域的應用，尤其是一些重要新興領域的發展，例如可穿戴設備領域。作為一個正蓬勃發展的重要領域，可穿戴設備往往需要設計得非常輕巧、方便攜帶、舒服又安全。 但過去那些板狀或塊狀的能源器件滿足不了那樣的要求，它無法緊貼不規則的肌體，也不透氣保濕。所以我們設想，如果能把太陽能電池、鋰離子電池做成纖維，纖維就可以變成織物，最后做成衣服。 能發電、儲電的衣服 大家可以設想，未來我們穿著的衣服就能發電，它可以解決很多領域的用電需求，從而改變我們的生活。要做成這種發電的衣服，首先我們要得到這種能發電的纖維。 這種能發電的纖維，首先它是一個器件，而任何器件的核心部件都是電極，所以我們又要先得到纖維的電極材料。因此我們發明了一種名為“取向碳納米管纖維”的獨特材料，它是由碳納米管通過拉絲的方式獲得。 碳納米管是一個什么樣的材料？這是一個由碳原子形成的管狀結構，其直徑只有頭發絲的千分之一到萬分之一，它的密度是鋼的六分之一，但強度卻是鋼的100倍。 它的電導率與金屬相當，所以可以制作成纖維碳納米管電池，然后制成衣服，這樣的衣服一個白天（10小時）可發電6.1萬毫安時，相當于反復為你的蘋果手機充電4次。 這個衣服的基本單元是纖維太陽能電池，它到底是怎么做的？我們來看一看。圖片左上角是一個典型的結構，藍顏色是一個作為電極的碳納米管纖維，我們在它的表面鍍上紅色的光電活性材料，用于吸收太陽光產生電。 而碳納米管纖維的正面涂了另外一層電極膜，兩個電極可把紅色光電活性材料產生的電傳去外電路。 在反復彎折時，這種碳納米管纖維仍可穩定供電，現在光電轉化率最高可達到9.45%，意味著它可以在商業上進行推廣應用。 這個纖維狀太陽能電池還有一個獨特的優點，即不管陽光從哪個角度照過來，它的光電轉化率都非常穩定。這意味著，當你穿一件由這種纖維構成的衣服去運動，在運動過程中，衣服輸出的電都非常穩定，從而高效、安全地為電子產品供電。 在白天，太陽能電池可以供電，那晚上怎么辦？我們希望，這件衣服還可以將白天的電通過太陽能電池儲存起來，供晚上需要的時候使用。這也就是說，我們還希望把鋰離子電池、超級電容器等等這些儲能的器件也做成衣服。 除了鋰離子電池、超級電容器，還有其他很多的儲能器件，如鋰硫電池、鋰空電池、新空電池等等都在發展過程當中，正慢慢走入我們的生活。對于這類廣泛的各式儲能器件，我們都可以把它做成纖維，按照不同的要求進行組裝，做成衣服。 發電、儲電，是這類神奇纖維的第一大主要功能。 可變色、發光的衣服 接下來我跟大家介紹這個纖維的第二大功能，如果我把它做成衣服，這件衣服是可以變色的。 我們可以把它做成各種各樣的顏色，把它圖案化，將它按照你的需求進行改變。未來，你可能只需要買一件衣服，就可以適應不同場合的穿搭。 我跟大家介紹下這變色的纖維是怎么來制備的。變色龍可在不同環境下改變皮膚的顏色，這主要源自它皮膚表層材料結構的改變。基于類似思路，我們引入了“丁二炔”這類高分子材料，它可以跟碳納米管進行復核，當通電時，這個高分子的結構會發生改變。 改變以后，大家可以看到顏色的變化。你可以看到，藍色的纖維在通電后變成紅色，當你把電撤去后，紅色又很快回到藍色，整個過程非常迅速，在一秒內完成，然后它可以反復進行。 很多時候，我們還希望在晚上能看到衣服顏色的改變，那就意味著衣服必須能發光，我們也要得到發光的纖維。 我們首先在一根纖維（可以是碳納米管纖維）的電極基底上涂上一層發光的活性材料，再涂上另一層發光電極，這實際上就是兩個電極中間夾雜著一個活性發光材料。 它可以連續地構建，通過一個機器得到很長的一個纖維，這樣一個纖維在很小的電壓（3-5伏）下，可以均勻地360度發光，而且它還非常可控，你可以得到不同的顏色。 這是我跟大家介紹的第二類可變色和發光的功能。 纖維人工肌肉 第三類我想跟大家介紹的是它的變形，即它起到了類似于人工肌肉的作用，這是我們偶然發現的一個非常有趣的現象。 當很多碳納米管相互纏繞形成一根纖維時，通電后，你會發現這根纖維有一個軸向的收縮，又有一個徑向的旋轉，經過測算，它的作用力大概是最強自然骨骼肌肉的100多倍。 這個新現象的可能解釋是，碳納米管相當于一根導線，這個纖維里面有很多導線，當兩根導線通電后，它會產生一個電池相互作用力，從而導致這個纖維發生運動的響應。因為一根纖維的直徑橫截面大概會有數百根碳納米管，所以它的累積作用力非常強。 我們對這個作用力做了一些應用的示范，大家可以看到，我們把一根纖維黏在紙片上，紙片很重，它可能是這個纖維的幾百倍重量，但你看到通電以后，這個紙片被彈起來了。 我們可以想象用它做成一個翅膀，只用接通一股很小的電流，這個翅膀就可以煽動起來，斷電之后它又回到原位。這個過程可以反復進行，而且翅膀煽動的頻率可以通過電流頻率來控制。 因為這個材料耐高溫，它在多數環境條件下很穩定，所以它可以對其他很多環境進行偵查、拍照，解決人很難進入的場合。 同時，由于它所產生的力是自然界最強骨骼肌肉的100多倍，我們可以借助這個纖維作為人工肌肉，就連小孩也可以靠它很輕松地拎起上百公斤甚至更重的物體，這也可能會解決在很多應用場合下人們碰到的難題。 其他多功能應用 實際上這種纖維還有其他很多功能，比如我們可以把它做到可發熱、可制冷，以輕松應對一些極端條件；比如說我們可把這種纖維做成手套，只要你戴上手套，就可以在墻壁上進行爬行，這意味著大家在電影上看到的蜘蛛俠是有可能實現的。 這種獨特纖維也可在醫學上開展重要應用，比如把藍色的發光纖維做成毯子，裹在小孩身上，所發出的柔和光可治療新生兒黃疸，而不需要把嬰兒放在一個冷冰冰的箱子里，這既能起到更好的治療作用，也不用把嬰兒從母體身邊分開。 大家可能會問，這類多功能的神奇纖維材料和器件什么時候可以買到？價格怎樣？我想，對于這么一個產品和技術，未來大部分工薪階層都可以接受；對于這個纖維的功能，實際上我們還在不斷地探索和進行中。 隨著科技的發展，在很多全新的領域都可以得到應用。比如說太空電梯，以后人類到太空去，不用坐火箭，而是直接達成一部電梯上去。對于這個電梯最重要的就是兩根纜繩，這兩根纜繩要足夠輕和足夠強，目前來看碳納米管纖維材料是一個非常好的選擇。 所以我們有理由期待，在不久的將來，這類纖維材料可能顛覆我們的生活方式，創造人類全新的未來！ 謝謝大家。 |
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