發(fā)電服裝來了

你的智能手機沒電了，充電寶又不在身邊，或者一時找不到可用的插座。沒問題！與其跺腳抱怨電池沒電，還不如散步幾分鐘。這幾分鐘的散步就可以給你的智能手機充上電，因為你的衣服可以將動能轉化為電能！僅靠走路就能給你的智能手機充電？不錯，借助納米纖維將機械能轉化為電能，邊走路邊充電的夢想很快就將成為現實。

隨著電子設備的數量經歷了迅速而持續(xù)的增長，全世界有超過12.5億部智能手機，但它們存在一個通病，那就是使用者必須有規(guī)律地給它們充電。為了使智能手機這類電子產品能夠自主工作，許多實驗室開始著手研究從人體運動中回收能源。的確，在體力活動時，人體能產生大約100瓦的功率。只要把這些機械能中的一部分轉化為電能，就足以支持智能手機或隨身聽運行，因為它們只需1瓦的功率即可運轉。

當然，發(fā)電服裝尚未擺上服裝店的貨架。不過，用來制造發(fā)電服裝的纖維現已存在?？蒲行〗M最新研制出一種能產生電能的新型納米纖維。這種比頭發(fā)絲還細的纖維絲由于“生長”出極微小的納米絲，只要受到拉扯、摩擦或微風吹拂即可自行發(fā)電。借助這種“纖維納米發(fā)電機”，走路、心跳這樣司空見慣的運動將來都能用來發(fā)電，機械能因此被巧妙地轉化為電能。

納米材料學家研制出的這種纖維，既非棉質也非尼龍，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成的混合體，后者通過壓電效應可將機械能轉化為電能。這一發(fā)明在理論上并沒有什么奇特之處。一些晶體的結構比較特別，缺乏對稱性，當這種晶體受到壓力而改變形狀時，便會放出少量的電流，這就是壓電效應。具有半導體性能的六方形氧化鋅單晶體就具備產生壓電效應的特性。早在1880年，科學家就注意到，將一定機械應力作用于石英晶體，便能在晶體的某些表面產生電壓。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。機械能通過“壓電效應”轉化為電能，反之亦然。你家液化氣灶頭的點火器或石英表就是利用這一原理工作的。

而對于納米材料學家來說，關鍵在于如何使柔軟的纖維上長出晶體材料。實驗過程中，研究人員把凱夫拉合成纖維放入化學溶液中，在纖維絲上鍍上氧化鋅。鍍在纖維絲上的氧化鋅會呈輻射狀生長，“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，它就像一把有數十億根毛的洗瓶刷。只要有機械應力如彎曲、擠壓、拉伸等作用于這些氧化鋅晶體時，它們就會產生電壓。

與此前研發(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質、昂貴的硅材料換成了柔軟、便宜的纖維絲。以美國杜邦公司的凱夫拉纖維為例，幾美元就可以買一大捆。其二，帶動納米線摩擦錯動的機械運動由之前頻率較高的超聲波改為更容易獲取的低頻機械運動。低頻機械運動的成功利用更具有突破性意義。跑步、走路、心跳等產生的機械能從理論上講都可以轉化為電能，這些昔日被白白浪費掉的能量將來都可以被利用起來。利用纖維成功進行納米發(fā)電，意味著“發(fā)電衣”等柔性、可彎曲的發(fā)電體在不遠的將來都會成為現實，甚至微風吹動的帳篷也能發(fā)電。另外，納米發(fā)電纖維的材料都是生物安全材料，整個過程無排放、無污染，堪稱最具潛力的“綠色發(fā)電”。

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絲的纖維，只不過這根纖維上的氧化鋅細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，借助一個機動裝置使它們相互摩擦。一拉一松，由于氧化鋅的“壓電效應”，納米線的形變便可產生電能。

這兩條纖維每秒鐘摩擦一次，產生一股強度大約為5皮安（1皮=10^-12）、電壓3毫伏的電流。該電流雖然很微弱，但是智慧的研究人員有的是辦法。他們將絞在一起的三對纖維組合在一個更加復雜的系統(tǒng)之中，使電流強度增至先前的50倍。根據目前的原型估算，將來用這樣的纖維制成的織物，每平方米的輸出功率可達80毫瓦，足以驅動一部隨身聽或者為一塊智能手機電池充電。因此，它可以用于遠足者或者士兵的野外活動，也可以為生物醫(yī)學或環(huán)境監(jiān)測中的微型傳感器提供電能。這項成果其最大吸引力還在于，只要衣服穿上身無須做任何特別的動作，織物就可自行發(fā)電。比如你被風吹、聽到聲波或者受到震動，你的衣服都會發(fā)電，你不必做特殊的運動。簡單地說，只要衣服能動，就能發(fā)電。

但另一缺陷阻礙著發(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且防水的面料當中，目前，這一問題已經解決了。研究人員預計在今后5年內，壓電襯衫或許就會上市。

是否過于樂觀了？將這些納米發(fā)電機植入日常面料仍面臨一些障礙，但這一設計實在精巧。這種由兩根纖維組成的納米發(fā)電機的輸出功率還很小，這主要是由于纖維的內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)電機的輸出能量。這是一項成功的發(fā)明，也是5年來迅速發(fā)展的能量回收課題領域的巨大成功。當然，目前獲得的電流還遠不能支持智能手機工作。但隨著納米傳感器在醫(yī)學、國防和環(huán)境監(jiān)測領域的逐步應用，人類迫切需要納米級的能源。

想過10年后穿在你身上的會是什么樣的衣服嗎？也許那個時候，掛在你衣柜里的那些東西與其說是衣服，還不如說是計算機、發(fā)電機、監(jiān)測儀或其他什么設備。因為，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，甚至可以幫助你的智能手機充電。

另外還有一款新穎的概念產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”一樣通過壓電效應來產生電力，而是通過在衣服內植入特殊的導電細絲同時加入一些特殊的技術，使得你只需要將智能手機、隨身聽等用電設備直接放到衣服口袋里即可對設備進行充電。同時，這款衣服還能夠感知情緒，當發(fā)現穿著者受到威脅感到恐懼、害怕時，還能夠瞬時積聚電量像“防狼夾克”一樣將壞人擊倒。

各種各樣的發(fā)電服裝讓人目不暇接，浮想聯翩。不過大多數服裝還正處在試驗階段，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、操作按鈕位置的設計以及如何清洗等。如此看來，這些功能強大的衣服要想走進尋常百姓家，可能還需要相當長的時間。