效法自然 超越自然

本文圍繞2019年國家自然科學獎二等獎“碳納米管復合纖維鋰離子電池”展開，該獎項由復旦大學彭慧勝院士領(lǐng)銜的團隊獲得。

根據(jù)中國考古發(fā)現(xiàn)，我們5000多年前就開始使用高分子纖維材料，也就是大家所熟知的蠶絲，這是我們中華民族為人類作出的偉大貢獻。把纖維材料做成織物標志著人類文明的進步，如今5000多年過去了，纖維除了能做成織物擁有防寒保暖的基本功能，它還能做成什么？或者說你還希望你的衣服擁有什么功能？

出門不想帶充電器？沒關(guān)系，你的衣服就是一個移動的太陽能電池。

騎著車不方便拿手機怎么辦？沒關(guān)系，你的衣袖就是一個顯示屏，能幫你導航。

聾啞人的溝通能力有限怎么辦？沒關(guān)系，一件衣服就能把腦電波采集下來，把想說的話實時顯示在衣服上，從而能與普通人無障礙地交流，重新融入社會。

這件神奇的衣服甚至能夠治病，幫你飛檐走壁，你相信嗎？這樣的場景聽起來像一部科幻電影，但在科學家的努力下，這些情景已經(jīng)或正在現(xiàn)實生活中逐漸上映。這件神奇的衣服就是智能織物，雖然外觀上與常見的紡織物無異，卻兼具發(fā)電、發(fā)光、變色、儲能、傳感、顯示、計算、通信等功能，在可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等領(lǐng)域顯示出廣闊的應用前景。

如何讓纖維導電

具有柔性、導電、高電化學活性的纖維電極是構(gòu)建纖維電子器件的關(guān)鍵，纖維電極的合理選擇有助于實現(xiàn)智能織物的多功能和高性能。一般來說，電子器件都有正極和負極，中間是活性材料，當通電的時候，正極和負極之間會形成電場。在我們生活中，電子器件通常是一個平面，兩個平板之間的電場是很均勻的，只要把活性材料涂覆均勻就可以了。而在智能織物中，兩根纖維電極之間產(chǎn)生的電場是不均勻的，因為它是一個彎曲的界面。此外，在確保電荷沿長纖維電池長度方向的傳輸效率以及形變下活性材料與高曲率導電纖維實現(xiàn)穩(wěn)定相互作用等方面都存在挑戰(zhàn)。因此，從平面結(jié)構(gòu)到纖維結(jié)構(gòu)，其電場分布、電荷傳輸和界面均發(fā)生明顯變化，需要進行新的材料組成和結(jié)構(gòu)設(shè)計。

在選擇材料時，我們通常會想到兩大類導電纖維：一類是金屬材料，另一類是高分子材料。對于金屬材料，在光滑的金屬表面涂覆活性層，負載量有限，連續(xù)彎折變形過程中容易發(fā)生碎裂導致活性材料脫落。可以通過在金屬纖維上加工形成多級微結(jié)構(gòu)、涂覆與刻蝕等方法來提高纖維電極比表面積和活性層載量，不過金屬的質(zhì)量比較重。

對于高分子材料，可能有些人會覺得這個名詞比較陌生，但它在我們生活中無處不在。我們常用的薄膜塑料袋就是高分子材料聚乙烯。乙烯是小分子，它有雙鍵，你可以把小分子理解成一個小朋友，當小朋友把手打開，手牽著手，小分子就變成了大分子，形成一條鏈，所以我們把它叫作高分子鏈，這就是高分子材料。值得注意的是，乙烯是氣體，“小朋友手牽手”變成高分子后，它就變成固體了。所以高分子材料不同于小分子，可以有非常多的變化，從化學反應到材料設(shè)計再到物理性能等。高分子材料應用十分廣泛，大家經(jīng)常看到的很多東西都是高分子材料構(gòu)成的，并且我們的身體都是由高分子構(gòu)成的，這非常有趣。高分子材料通常包括塑料、橡膠和纖維等，而高分子纖維已廣泛應用于織物中。高分子纖維具有結(jié)構(gòu)設(shè)計多樣、化學穩(wěn)定性好、高柔韌性和輕便等特點，但其導電性能通常不好，因此我們可以將其與導電性良好的其他材料，如碳納米管協(xié)同構(gòu)建復合材料。

碳納米管于1991年被人類首次發(fā)現(xiàn)，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維材料，即由呈六邊形排列的碳原子（每一個點就是一個碳原子）構(gòu)成的管狀結(jié)構(gòu)，其徑向尺寸為納米級，具有良好的導電性。碳納米管是一個非常有趣的材料，它的質(zhì)量只有鋼的1/10，但是它的強度是鋼的20倍。如今我們想把人送到太空去，一般都是使用火箭。其實還有一種途徑，有時出現(xiàn)在科幻小說里，就是“人造太空天梯”。后來也有科學家從理論上推測，可以造一部電梯把人類從地球送到太空中去。但技術(shù)上怎么做到？難在哪里？難的是要有足夠長的纜繩連接地球和太空，即找到制造天梯的材料。也許大家會想到耳熟能詳?shù)匿摻z，但是有一個最重要的參數(shù)叫自支撐長度。當鋼絲長到54公里時，它就會自己斷掉，所以這種材料必須能夠克服自重，也就是要足夠輕和足夠強。根據(jù)目前掌握的信息，人們發(fā)現(xiàn)碳納米管可以滿足上述要求。這里我們探討的碳納米管，典型直徑在幾個納米，長度在幾百微米，碳納米管之間的相互作用雖然非常弱，但是在納米尺度上，它的累積效應可以有效地把很小的碳納米管連接成長纖維。在碳納米管纖維中， 取向、有序的碳納米管排列結(jié)構(gòu)，可以更有效地將單根碳納米管優(yōu)異的物理性能擴展到宏觀層面，如具有較高的比表面積、力學強度和柔韌性，可以耐受彎曲和拉伸，還具有較高的電導率，是一種較為理想的纖維電極材料。

效法自然——纖維鋰離子電池

智能織物商業(yè)化的重要瓶頸是缺少與之充分集成的供能系統(tǒng)。因為傳統(tǒng)的電池或電容器多為二維剛性平面，質(zhì)量重、體積大，不可穿戴。一維的纖維能源器件質(zhì)量輕、柔性好、可集成、能編織，并且能在織物形變下保持電化性能穩(wěn)定，能滿足如今各種便攜式電子設(shè)備的發(fā)展需要。

過去人們普遍認為，纖維電池的內(nèi)阻隨長度增加而增大，會限制電池的高性能化。但后來科學家發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，隨著纖維電池長度的增加，其內(nèi)阻逐漸降低并趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)獨特的雙曲余切函數(shù)關(guān)系。這一發(fā)現(xiàn)為纖維電池的連續(xù)化制備和應用提供了可能性，經(jīng)過不斷地探索和工藝創(chuàng)新，科學家研制出了具有優(yōu)異且穩(wěn)定電化學性能的纖維鋰離子電池。如今，這樣的電池已經(jīng)做成了產(chǎn)品，并能規(guī)模制備了，取得了從實驗室層面到規(guī)模生產(chǎn)的突破。電池的能量密度達到128 Wh/kg，能夠滿足很多生產(chǎn)生活應用的需要。目前可以連續(xù)化制備米級的纖維鋰離子電池，同時實現(xiàn)在一定長度范圍內(nèi)電池的容量隨著長度增加線性增加，未來這樣的纖維將會做得更細、更長、更柔軟。如果把纖維鋰離子電池與無線充電裝置結(jié)合起來，把手機揣在口袋里不用連線，手機就可以自己充電了。一件由纖維鋰離子電池制成的襯衣所儲存的電量可以把十幾部智能手機充滿。此外，因為纖維有很大的比表面積和高孔隙率，所以它散熱特別快，其升溫幾乎可以忽略，可以長期舒適地覆蓋在人體皮膚上。即使做成衣物經(jīng)過數(shù)百次洗滌以及在高溫、低溫、真空環(huán)境以及外力破壞（如一部分纖維被切斷）等極端條件下，它依然可以穩(wěn)定供電。

不過，當把電池穿在身上的時候，大家可能會擔心它的安全性，例如現(xiàn)在的電池充電會發(fā)熱，其中的有機液態(tài)電解質(zhì)著火會燃燒。與傳統(tǒng)的有機液態(tài)電解質(zhì)相比，纖維鋰離子電池所用的材料是高分子凝膠電解質(zhì)（像果凍一樣，甚至可以做成全固態(tài)），具有更好的安全性能。

這種高分子凝膠電解質(zhì)在纖維電池中的應用源于科學家對自然的效法：爬山虎與被纏繞的植物藤蔓“如膠似漆”，是因為爬山虎能分泌出一種具有良好浸潤性的液體，滲透到兩者接觸表面的孔道結(jié)構(gòu)中，隨后液體中的單體發(fā)生聚合反應，將爬山虎和被纏繞的植物藤蔓粘在一起。這為解決“高分子凝膠電解質(zhì)難以與纖維電極形成緊密穩(wěn)定的接觸界面，導致電池儲能低”這一難題提供了很大的靈感。于是，研究團隊設(shè)計了具有網(wǎng)絡(luò)孔道和取向孔道的纖維電極，并設(shè)計單體溶液，使之滲入到纖維電極的孔道結(jié)構(gòu)中。單體發(fā)生聚合反應后生成高分子凝膠電解質(zhì)，從而與纖維電極形成緊密穩(wěn)定的界面，實現(xiàn)了纖維鋰離子電池的高安全性與高儲能性能。這一研究成果于2024年4月24日以“基于高分子凝膠電解質(zhì)的高性能纖維電池”為題發(fā)表于《自然》（Nature）雜志。

自供電自運行——纖維太陽能電池

在將纖維做成電池可以充電后，科學家又開始奇思妙想，為什么不充分利用最豐富的能源——太陽能——進行自供電呢？既清潔，又方便。如今的太陽能電池板還比較笨重，如果太陽能電池做成纖維那就會輕便很多。其實這很簡單，只要把光電活性材料和導電的纖維結(jié)合起來就可以了，光電活性材料通過吸收光把光能轉(zhuǎn)化成電能，這是太陽能電池的基本原理。如下圖中所示，纖維太陽能電池通常采用兩種結(jié)構(gòu)：同軸結(jié)構(gòu)和纏繞結(jié)構(gòu)。對于同軸結(jié)構(gòu)纖維電池，在一根高曲率的纖維電極表面沉積厚度均勻的多層組分，并且在形變過程中保持多個界面之間的穩(wěn)定性，這對制備工藝提出了很高的要求；纏繞結(jié)構(gòu)的纖維電池是將外層電極轉(zhuǎn)換為纖維的形態(tài)，活性材料可以分配在兩根纖維電極上，降低了多層活性材料制備的工藝難度，是目前纖維電池采用較廣泛的一種結(jié)構(gòu)。

表征太陽能電池一個最重要的參數(shù)叫光電轉(zhuǎn)化效率，即光有百分之多少轉(zhuǎn)化成電，現(xiàn)在纖維太陽能電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過12%。纖維太陽能電池要做成衣服的話，在使用過程中不可避免地會發(fā)生彎折，而在彎折過程中它的光電轉(zhuǎn)化效率可以保持不變（即使在彎折1000次以后）。如果衣服80%用纖維太陽能電池編織，每天產(chǎn)生的電可以把36部手機充滿，能夠滿足大部分的生活需求。當然，它還可以為智能手環(huán)、心率監(jiān)測儀、血氧儀等可穿戴電子設(shè)備連續(xù)有效地供電，實現(xiàn)自供電自運行。這不光引起了工業(yè)界的興趣，時裝界也特別感興趣，他們認為“智能+時尚”會是可穿戴技術(shù)未來發(fā)展的趨勢。也許5～10年后這樣可發(fā)電的太陽能電池衣服就可以出現(xiàn)在我們的生活中。

把醫(yī)院帶回家——纖維生物傳感器

如果把每一根纖維都做成傳感器的話，那么我們就可以隨時隨地享受體檢服務。例如，通過活性材料設(shè)計，讓每一根纖維對一個生理指標進行檢測。當你運動出汗時，穿在身上的衣服就可以對汗液進行化學成分的分析，從而能實時跟蹤身體的健康狀態(tài)。當纖維傳感器做得足夠柔軟的時候，還可以像毛發(fā)一樣植入身體，甚至是腦部，能夠檢測出很多生理指標。這樣的纖維傳感器可以用注射器植入身體，很方便，也沒有任何的創(chuàng)傷，當然還必須通過從細胞層面到組織層面的生物安全性驗證。如果把不同功能的纖維傳感器結(jié)合起來形成一束大的纖維在末端進行傳感，就可以實現(xiàn)動態(tài)全方位監(jiān)測。舉例來說，目前葡萄糖檢測做得最好的是可以貼在皮膚上進行檢測，但兩周時間是它的使用極限。未來植入纖維傳感器可以使用幾個月甚至更長時間，出汗、洗澡等都不會影響，通過這種完全不影響生活的方式就可以實現(xiàn)血糖的常態(tài)化監(jiān)測。

穿出與眾不同——變色和發(fā)光的纖維

變色龍為什么能變色？事實上，變色龍的皮膚有很多微結(jié)構(gòu)，這些微結(jié)構(gòu)在發(fā)生刺激時會進行調(diào)整，改變皮膚表面的微結(jié)構(gòu)，從而顯示不同的顏色。實際上有很多高分子材料會變色，如聚丁二炔由于其獨特的主鏈結(jié)構(gòu)，在外界給予熱刺激時它的構(gòu)象會發(fā)生變化，從而帶來顏色的變化。

可以看出，通過不同的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計，我們可以讓纖維導電，也可以讓它變色，甚至還可以讓它發(fā)光。如在纖維電極表面涂覆一層能夠發(fā)光的高分子活性材料，再在外面纏繞一層取向的透明碳納米管薄膜作為另一個電極，就能得到發(fā)光纖維。發(fā)光的強度和顏色都可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計來調(diào)節(jié)。例如，剛出生的嬰兒如果得了黃疸，一般會放在一個能發(fā)藍光的箱子里進行治療。如果將能發(fā)藍光的纖維做成毛毯，裹在嬰兒身上就可以進行治療了。既方便，又安全，對母親也不會造成與寶寶分離的心理傷害。當然，這樣的發(fā)光纖維還可以治療皮膚病，發(fā)光纖維未來也許能在很多與光治療相關(guān)的疾病中大展身手。

跨向智能時代——可穿戴顯示

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G、虛擬現(xiàn)實等新興領(lǐng)域快速發(fā)展，以及各種電子設(shè)備朝著微型化和高度集成化的方向發(fā)展，可貼合皮膚、適應復雜形變的新型柔性可穿戴顯示器的應用前景將越來越廣闊。例如，智能手表已經(jīng)成為人們在健身跑步時的標配，但那小小的一塊屏幕實在是讓人難以看清上面的文字?，F(xiàn)在，科學家已經(jīng)研制出了可以直接在衣服上顯示的電子屏，它們可以隨著人的動作和環(huán)境的變化而延展、扭曲，卻不會對內(nèi)容的顯示造成影響，這樣的顯示屏將會引領(lǐng)可穿戴電子設(shè)備走向新時代。

但是，要創(chuàng)制這樣的顯示器需要克服很多技術(shù)難題，領(lǐng)域內(nèi)的主流研究是將焦點放在柔性薄膜顯示屏，但也有科學家直接指向了做衣服的纖維本身！就是說把纖維這種一維材料變成具有電子顯示功能的器件，讓可穿戴顯示器真正做到像衣服一樣穿在身上，輕薄、透氣，可貼合在任何不規(guī)則的基底上。

最早的顯示器件是陰極射線管顯示，它廣泛用于電視和之后的計算機系統(tǒng)。后來顯示器件做得越來越薄，就變成了顯示屏，如液晶顯示、有機發(fā)光二極管。隨著技術(shù)的發(fā)展，顯示屏如今已經(jīng)可以彎曲，用在了可折疊手機上，但是這種折疊只是在一個方向上的，也就是說這種可折疊的柔性是相對的。如果想要做成衣物，必須要保證顯示屏足夠柔軟，且任意形變下都不會影響顯示的功能。顯示器件經(jīng)過多年的發(fā)展，經(jīng)歷了從厚到薄，從硬到軟，從三維塊體到二維薄膜的轉(zhuǎn)變，而如今，科學家正在探索其結(jié)構(gòu)從二維向一維的轉(zhuǎn)變。

發(fā)光纖維是線狀光源，將發(fā)光纖維編入織物中只能顯示特定的編織圖案，無法在織物上實現(xiàn)如同手機、電腦一樣的像素點顯示，顯示信息有限將會限制其在可穿戴設(shè)備上的應用。我們知道，織物是由經(jīng)線和緯線編織而成的。織物的經(jīng)緯交織結(jié)構(gòu)與平面顯示器中的像素陣列類似，這啟發(fā)了科學家在經(jīng)緯交織點處構(gòu)建微型發(fā)光器件的想法。在編織過程中，經(jīng)線和緯線會有一個交織點。兩根纖維在編織過程中產(chǎn)生的張力會讓它們的交織點變得緊密，如果我們在纖維表面涂上發(fā)光的活性材料，通電時交織點的位置就會發(fā)光，這樣就實現(xiàn)了一個像素點的顯示?？椢锿ǔ泻芏嘟豢楛c，這些交織點就能形成可顯示的屏幕。其中，一個非常重要的參數(shù)是分辨率，在織物顯示屏中，分辨率的調(diào)控可以通過交織點來控制——編織得緊密一點，分辨率就高；編織得稀疏一點，分辨率就低。當穿上這些纖維編織的衣物時，你就可以在衣服上看電視和電影了，是不是非常簡單和方便？

再來看一些實用有趣的應用場景。例如，騎著摩托車送外賣的小哥，他不可能對所有的路線都很熟悉，如果拿著手機進行導航十分不安全，這時我們可以在衣服的袖子上設(shè)計一個可導航的顯示屏，如果我們再把打電話和發(fā)信息的功能集成到顯示屏上，那么未來手機的形態(tài)會發(fā)生根本的變化。

再比如，我們?nèi)饴糜?，穿著一件能幫你翻譯語言的衣服真的是太方便了，特別是對于一些小語種的國家。你說中文它可以任意切換成世界上所有的語言，這樣的話，也許我們真的不用學習英語了，不用學習任何語言都可以實現(xiàn)實時有效的溝通。

而另外一個更能造福社會的例子是：我們生活中的一些特殊人群，如聾啞人不能說話，如果我們?yōu)樗可矶ㄖ埔患路ㄟ^采集腦電波把他想說的話顯示在衣服上，他立刻就能與社會正常、實時地交流了。而全世界這部分人群還不少，如果從根本上解決他們的問題，那么他們就能更加順利地找到工作，更深入地融入社會。當然，這些人機交互的功能還需要計算、傳感、通信、供能等系統(tǒng)的協(xié)同運轉(zhuǎn)才能實現(xiàn)。

結(jié)語

上述提到的種種應用都讓我們看到科技將如何改變?nèi)祟惿睢？茖W家創(chuàng)建出的織物顯示系統(tǒng)顛覆了人們對傳統(tǒng)顯示器件和紡織品的認知，被評述為“代表了智能織物長期研究和世界電子織物領(lǐng)域一個卓越的里程碑”。這將有力地推動產(chǎn)業(yè)變革，當然，要想進一步商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化，成為市場上能買到的商品，除了在技術(shù)上需要克服攻關(guān)以外，成本也是必須要考慮的問題。只有降低成本，才能實現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)，而其中，生產(chǎn)線的建立很重要。目前纖維鋰離子電池生產(chǎn)線已經(jīng)建立，相關(guān)產(chǎn)品已開始獲得應用，但纖維太陽能電池可能還需要5～10年的時間。未來的智能纖維材料與器件，也許還可以實現(xiàn)更多的功能，需要科學家和工程師的進一步創(chuàng)新，推動人類生活與社會的進步。

本文作者梁偲是上海市科學學研究所副研究員，主要從事科技傳播、科學普及、戰(zhàn)略規(guī)劃、技術(shù)預見方面的研究；彭慧勝是中國科學院院士，復旦大學特聘教授，主要從事高分子纖維器件的研究，在《自然》（Nature）等期刊上發(fā)表了380多篇論文，出版了4部專著/教材，獲授權(quán)國內(nèi)外發(fā)明專利100項，其中47項實現(xiàn)了轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。