穿上發(fā)電衣

陳前云

想過10年后穿在你身上的會(huì)是什么樣的衣服嗎?也許那個(gè)時(shí)候，掛在你衣柜里的那些東西與其說是衣服，還不如說是計(jì)算機(jī)、發(fā)電機(jī)、監(jiān)測儀或其他什么設(shè)備。因?yàn)?，在未來，越來越多的高科技元素將融入普通服裝中，衣服將不再是只起保暖和美觀作用的覆蓋物，它還將是你生活和工作的助手，甚至可以幫你的手機(jī)充電。

全世界有35億手機(jī)用戶，20億隨身聽擁有者，雖然電子設(shè)備的數(shù)量經(jīng)歷了迅速而持續(xù)的增長，但它們存在一個(gè)通病，那就是使用者必須有規(guī)律地給它們充電。為了使這類電子產(chǎn)品能夠自主運(yùn)行，許多實(shí)驗(yàn)室開始著手研究從人體運(yùn)動(dòng)中回收能源。的確，在體力活動(dòng)時(shí)，人體能產(chǎn)生大約100瓦的功率。只要把這些機(jī)械能中的一部分轉(zhuǎn)化為電能，就足以支持手機(jī)或隨身聽運(yùn)行，因?yàn)樗鼈冎恍?瓦的功率即可運(yùn)轉(zhuǎn)。

納米纖維，散步?jīng)_電

你的手機(jī)或隨身聽沒電了，充電器又不在身邊，或者一時(shí)找不到可用的插座。不要再抱怨了!與其抱怨電池沒電，還不如散步幾分鐘。這幾分鐘的散步就可以給你的手機(jī)或隨身聽充上電，因?yàn)槟愕囊路梢詫?dòng)能轉(zhuǎn)化為電能!

當(dāng)然，發(fā)電服裝尚未擺上服裝店的貨架。不過，用來制造發(fā)電服裝的纖維現(xiàn)已存在。科研小組最新研制出一種能產(chǎn)生電能的新型納米纖維。這種比頭發(fā)絲還細(xì)的纖維絲由于“生長”出極微小的納米絲，只要受到拉扯、摩擦或微風(fēng)吹拂即可自行發(fā)電。借助這種“纖維納米發(fā)電機(jī)”，走路、心跳這樣司空見慣的運(yùn)動(dòng)將來都能用來發(fā)電，機(jī)械能因此被巧妙地轉(zhuǎn)化為電能。

納米材料學(xué)家研制出的這種纖維既非棉質(zhì)也非尼龍，而是由起加固作用的凱夫拉合成纖維絲與氧化鋅納米絲構(gòu)成的混合體，后者通過壓電效應(yīng)可將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。這一發(fā)明在理論上并沒有什么奇特之處。一些晶體的結(jié)構(gòu)比較特別，缺乏對(duì)稱性，當(dāng)這種晶體受到壓力而改變形狀時(shí)，便會(huì)放出少量的電流，這就是壓電效應(yīng)。具有半導(dǎo)體性能的六方形氧化鋅單晶體就具備產(chǎn)生壓電效應(yīng)的特性。

早在1880年，科學(xué)家就注意到，將一定機(jī)械應(yīng)力作用于石英晶體，便能在晶體的某些表面產(chǎn)生電壓。這一電壓源于晶體中帶電原子，即離子的重新排列。原本不帶電的晶體從而被極化。機(jī)械能通過“壓電效應(yīng)”轉(zhuǎn)化為電能，反之亦然。日常生活中，液化氣灶頭的點(diǎn)火器和石英表就是利用這一原理工作的。

超細(xì)納米線長出來

對(duì)于納米材料學(xué)家來說，成功的關(guān)鍵在于如何使柔軟的纖維上長出晶體材料。實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員把凱夫拉合成纖維放入化學(xué)溶液中，在纖維絲上鍍上氧化鋅。鍍在纖維絲上的氧化鋅會(huì)呈輻射狀生長，“長”出的納米絲直徑僅為頭發(fā)的1/1800。在顯微鏡下觀察這一組合，它就像一把有數(shù)十億根毛的洗瓶刷。只要有機(jī)械應(yīng)力如彎曲、擠壓、拉伸等作用于這些氧化鋅晶體時(shí)，它們就會(huì)產(chǎn)生電壓。

與此前的研發(fā)相比，納米發(fā)電纖維的突破在于：其一，生長納米線的基片從硬盤、昂貴的硅材料換成了柔軟、便宜的纖維絲。以美國材邦公司的凱夫拉纖維為例。幾美元就可以買一大捆。其二，帶動(dòng)納米線摩擦錯(cuò)動(dòng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)由之前頻率較高的超聲波改為更容易獲取的低頻機(jī)械運(yùn)動(dòng)。低頻機(jī)械運(yùn)動(dòng)的成功利用更具有突破性意義。跑步、走路、心跳等產(chǎn)生的機(jī)械能從理論上講都可以轉(zhuǎn)化為電能，這些昔日被白白浪費(fèi)掉的能量將來都可以被利用起來。利用纖維成功進(jìn)行納米發(fā)電，意味著“發(fā)電衣”等柔性、可彎曲的發(fā)電體在不遠(yuǎn)的將來都會(huì)成為現(xiàn)實(shí)，甚至微風(fēng)吹動(dòng)的帳篷也能發(fā)電。另外，納米發(fā)電纖維的材料都是生物安全材料，整個(gè)過程無排放、無污染，堪稱最具潛力的“綠色發(fā)電”。

如何發(fā)電呢?完成這一使命的是另一根用同樣手段制成的長滿氧化鋅細(xì)絲的纖維，只不過這根纖維上的氧化鋅細(xì)絲都被研究人員鍍上了一層350納米厚的金膜。研究人員把這兩條纖維纏繞在一起，借助一個(gè)機(jī)動(dòng)裝置使它們相互摩擦。一拉一松，由于氧化鋅的“壓電效應(yīng)”，納米線的形變便可產(chǎn)生電能。

這兩條纖維每秒鐘摩擦一遍，產(chǎn)生一股強(qiáng)度大約為5皮安(1皮=10^-12)、電壓3毫伏的電流。該電流雖然很微弱，但聰明的研究人員有的是辦法。他們將絞在一起的三對(duì)纖維組合在一個(gè)更加復(fù)雜的系統(tǒng)之中，使電流強(qiáng)度增至先前的50倍。根據(jù)目前的原型估算，將來用這樣的纖維制成的織物，每平方米的輸出功率可達(dá)80毫瓦，足以驅(qū)動(dòng)一部隨身聽或者為一塊手機(jī)電池充電。因此，它可以用于遠(yuǎn)足者或者士兵的野外活動(dòng)，也可以為生物醫(yī)學(xué)或環(huán)境監(jiān)測中的微型傳感器提供電能。這項(xiàng)成果其最大吸引力還在于，只要衣服穿上身，無需做任何特別的動(dòng)作，織物就可自行發(fā)電。比如你被風(fēng)吹、聽到聲波或者受到震動(dòng)，你的衣服都會(huì)發(fā)電，你不必做特殊的運(yùn)動(dòng)。簡單地說，只要你能動(dòng)，就能發(fā)電。

但另一缺陷也阻礙著發(fā)電服裝的發(fā)展：這些纖維不可洗滌。研究人員把發(fā)電層夾在兩層可洗滌但防水的面料當(dāng)中，目前，這一問題已經(jīng)解決了。研究人員預(yù)計(jì)在今后5年內(nèi)，壓電襯衫或許就會(huì)上市。

是否過于樂觀了?將這些納米發(fā)電機(jī)植入日常面料仍面臨一些障礙，但這一設(shè)計(jì)實(shí)在精巧。這種由兩根纖維組成的納米發(fā)電機(jī)的輸出功率還很小，這主要是由于纖維的內(nèi)阻較大以及纖維之間接觸面積較小造成的。目前，研究人員正努力提高這種基于纖維的納米發(fā)電機(jī)的輸出能量。這是一項(xiàng)成功的發(fā)明，也是5年來迅速發(fā)展的能量回收課題領(lǐng)域的巨大成功。當(dāng)然，目前獲得的電流還遠(yuǎn)不能支持手機(jī)工作，但隨著納米傳感器在醫(yī)學(xué)、國防和環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的逐步應(yīng)用，人類迫切需要納米級(jí)的能源。

“防狼夾克”聚電擊人

另外還有一款新穎的概念產(chǎn)品給我們提供了全新的思路，它并不像我們上面介紹的那款“可以發(fā)電的衣服”一樣通過壓電效應(yīng)來產(chǎn)生電力，而是通過在衣服內(nèi)植入特殊的導(dǎo)電細(xì)絲同時(shí)加入一些特殊的技術(shù)，使得你只需要將手機(jī)、隨身聽等用電設(shè)備直接放到衣服口袋里即可對(duì)設(shè)備進(jìn)行充電。同時(shí)，這款衣服還能夠感知情緒，當(dāng)發(fā)現(xiàn)穿著者受到威脅感到恐懼、害怕時(shí)，還能夠瞬時(shí)積聚電量像“防狼夾克”一樣將壞人擊倒。

各種各樣的發(fā)電服裝還真讓人目不暇接，浮想聯(lián)翩。目前，大多數(shù)服裝還正處在試驗(yàn)階段，在其發(fā)展的過程中還有不少困難需要克服，向市場推廣這些服裝還有許多難題需要解決，如初期成本高昂、操作按鈕位置的設(shè)計(jì)以及如何清洗等。

另外，有科學(xué)家還指出，如此之多的電子元件和化學(xué)材料的應(yīng)用是否會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生副作用，還需要進(jìn)一步的證實(shí)，發(fā)展高科技服裝必須制定一個(gè)統(tǒng)一、完善的安全標(biāo)準(zhǔn)。如此看來，這些功能強(qiáng)大的衣服要想走進(jìn)尋常百姓家，可能還需要相當(dāng)長的時(shí)間。