第188位講者：彭慧勝

復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系教授

先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室Principle Investigator

我想跟大家分享一個(gè)科學(xué)故事，這個(gè)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(fā)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(fā)電，叫能源轉(zhuǎn)換器，比如太陽能電池；另一類用于儲(chǔ)存能量，比如鋰離子電池或超級(jí)電容器。對(duì)于這兩類能源器件，我們通常見到的是板狀或塊狀結(jié)構(gòu)，是剛性而且比較笨重的。

這個(gè)結(jié)構(gòu)限制了它們?cè)诤芏囝I(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是一些重要新興領(lǐng)域的發(fā)展，例如可穿戴設(shè)備領(lǐng)域。作為一個(gè)正蓬勃發(fā)展的重要領(lǐng)域，可穿戴設(shè)備往往需要設(shè)計(jì)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(guī)則的肌體，也不透氣保濕。所以我們?cè)O(shè)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(fā)電、儲(chǔ)電的衣服

大家可以設(shè)想，未來我們穿著的衣服就能發(fā)電，它可以解決很多領(lǐng)域的用電需求，從而改變我們的生活。要做成這種發(fā)電的衣服，首先我們要得到這種能發(fā)電的纖維。

這種能發(fā)電的纖維，首先它是一個(gè)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(fā)明了一種名為“取向碳納米管纖維”的獨(dú)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(gè)什么樣的材料？這是一個(gè)由碳原子形成的管狀結(jié)構(gòu)，其直徑只有頭發(fā)絲的千分之一到萬分之一，它的密度是鋼的六分之一，但強(qiáng)度卻是鋼的100倍。

它的電導(dǎo)率與金屬相當(dāng)，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(gè)白天（10小時(shí)）可發(fā)電6.1萬毫安時(shí)，相當(dāng)于反復(fù)為你的蘋果手機(jī)充電4次。

這個(gè)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(gè)典型的結(jié)構(gòu)，藍(lán)顏色是一個(gè)作為電極的碳納米管纖維，我們?cè)谒谋砻驽兩霞t色的光電活性材料，用于吸收太陽光產(chǎn)生電。

而碳納米管纖維的正面涂了另外一層電極膜，兩個(gè)電極可把紅色光電活性材料產(chǎn)生的電傳去外電路。

在反復(fù)彎折時(shí)，這種碳納米管纖維仍可穩(wěn)定供電，現(xiàn)在光電轉(zhuǎn)化率最高可達(dá)到9.45%，意味著它可以在商業(yè)上進(jìn)行推廣應(yīng)用。

這個(gè)纖維狀太陽能電池還有一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，即不管陽光從哪個(gè)角度照過來，它的光電轉(zhuǎn)化率都非常穩(wěn)定。這意味著，當(dāng)你穿一件由這種纖維構(gòu)成的衣服去運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，衣服輸出的電都非常穩(wěn)定，從而高效、安全地為電子產(chǎn)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(chǔ)存起來，供晚上需要的時(shí)候使用。這也就是說，我們還希望把鋰離子電池、超級(jí)電容器等等這些儲(chǔ)能的器件也做成衣服。

除了鋰離子電池、超級(jí)電容器，還有其他很多的儲(chǔ)能器件，如鋰硫電池、鋰空電池、新空電池等等都在發(fā)展過程當(dāng)中，正慢慢走入我們的生活。對(duì)于這類廣泛的各式儲(chǔ)能器件，我們都可以把它做成纖維，按照不同的要求進(jìn)行組裝，做成衣服。

發(fā)電、儲(chǔ)電，是這類神奇纖維的第一大主要功能。

可變色、發(fā)光的衣服

接下來我跟大家介紹這個(gè)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(jìn)行改變。未來，你可能只需要買一件衣服，就可以適應(yīng)不同場(chǎng)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(huán)境下改變皮膚的顏色，這主要源自它皮膚表層材料結(jié)構(gòu)的改變?；陬愃扑悸罚覀円肓恕岸《病边@類高分子材料，它可以跟碳納米管進(jìn)行復(fù)核，當(dāng)通電時(shí)，這個(gè)高分子的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變。

改變以后，大家可以看到顏色的變化。你可以看到，藍(lán)色的纖維在通電后變成紅色，當(dāng)你把電撤去后，紅色又很快回到藍(lán)色，整個(gè)過程非常迅速，在一秒內(nèi)完成，然后它可以反復(fù)進(jìn)行。

很多時(shí)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(fā)光，我們也要得到發(fā)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(fā)光的活性材料，再涂上另一層發(fā)光電極，這實(shí)際上就是兩個(gè)電極中間夾雜著一個(gè)活性發(fā)光材料。

它可以連續(xù)地構(gòu)建，通過一個(gè)機(jī)器得到很長(zhǎng)的一個(gè)纖維，這樣一個(gè)纖維在很小的電壓（3-5伏）下，可以均勻地360度發(fā)光，而且它還非?？煽兀憧梢缘玫讲煌念伾?。

這是我跟大家介紹的第二類可變色和發(fā)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(fā)現(xiàn)的一個(gè)非常有趣的現(xiàn)象。

當(dāng)很多碳納米管相互纏繞形成一根纖維時(shí)，通電后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這根纖維有一個(gè)軸向的收縮，又有一個(gè)徑向的旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過測(cè)算，它的作用力大概是最強(qiáng)自然骨骼肌肉的100多倍。

這個(gè)新現(xiàn)象的可能解釋是，碳納米管相當(dāng)于一根導(dǎo)線，這個(gè)纖維里面有很多導(dǎo)線，當(dāng)兩根導(dǎo)線通電后，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電池相互作用力，從而導(dǎo)致這個(gè)纖維發(fā)生運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)。因?yàn)橐桓w維的直徑橫截面大概會(huì)有數(shù)百根碳納米管，所以它的累積作用力非常強(qiáng)。

我們對(duì)這個(gè)作用力做了一些應(yīng)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(gè)纖維的幾百倍重量，但你看到通電以后，這個(gè)紙片被彈起來了。

我們可以想象用它做成一個(gè)翅膀，只用接通一股很小的電流，這個(gè)翅膀就可以煽動(dòng)起來，斷電之后它又回到原位。這個(gè)過程可以反復(fù)進(jìn)行，而且翅膀煽動(dòng)的頻率可以通過電流頻率來控制。

因?yàn)檫@個(gè)材料耐高溫，它在多數(shù)環(huán)境條件下很穩(wěn)定，所以它可以對(duì)其他很多環(huán)境進(jìn)行偵查、拍照，解決人很難進(jìn)入的場(chǎng)合。

同時(shí)，由于它所產(chǎn)生的力是自然界最強(qiáng)骨骼肌肉的100多倍，我們可以借助這個(gè)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(huì)解決在很多應(yīng)用場(chǎng)合下人們碰到的難題。

其他多功能應(yīng)用

實(shí)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(fā)熱、可制冷，以輕松應(yīng)對(duì)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(jìn)行爬行，這意味著大家在電影上看到的蜘蛛俠是有可能實(shí)現(xiàn)的。

這種獨(dú)特纖維也可在醫(yī)學(xué)上開展重要應(yīng)用，比如把藍(lán)色的發(fā)光纖維做成毯子，裹在小孩身上，所發(fā)出的柔和光可治療新生兒黃疸，而不需要把嬰兒放在一個(gè)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(huì)問，這類多功能的神奇纖維材料和器件什么時(shí)候可以買到？?jī)r(jià)格怎樣？我想，對(duì)于這么一個(gè)產(chǎn)品和技術(shù)，未來大部分工薪階層都可以接受；對(duì)于這個(gè)纖維的功能，實(shí)際上我們還在不斷地探索和進(jìn)行中。

隨著科技的發(fā)展，在很多全新的領(lǐng)域都可以得到應(yīng)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(dá)成一部電梯上去。對(duì)于這個(gè)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(qiáng)，目前來看碳納米管纖維材料是一個(gè)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(chuàng)造人類全新的未來！

謝謝大家。