一种神奇的材料，让凡人也能手撕钢铁侠_风闻

第188位讲者：彭慧胜

复旦大学高分子科学系教授

先进材料实验室Principle Investigator

我想跟大家分享一个科学故事，这个故事的主题是：一类神奇的纤维材料与器件。

谈到纤维，大家可能比较熟悉，衣服的基本单元就是纤维，纤维衣服最基本的作用就是防寒保暖。但是，大家能否想象，在不久的将来，一件衣服可以发电、可以治病，可以让你飞檐走壁。

故事首先从能源讲起。

在日常生活中我们常见的能源器件分两类：一类用于发电，叫能源转换器，比如太阳能电池；另一类用于储存能量，比如锂离子电池或超级电容器。对于这两类能源器件，我们通常见到的是板状或块状结构，是刚性而且比较笨重的。

这个结构限制了它们在很多领域的应用，尤其是一些重要新兴领域的发展，例如可穿戴设备领域。作为一个正蓬勃发展的重要领域，可穿戴设备往往需要设计得非常轻巧、方便携带、舒服又安全。

但过去那些板状或块状的能源器件满足不了那样的要求，它无法紧贴不规则的肌体，也不透气保湿。所以我们设想，如果能把太阳能电池、锂离子电池做成纤维，纤维就可以变成织物，最后做成衣服。

能发电、储电的衣服

大家可以设想，未来我们穿着的衣服就能发电，它可以解决很多领域的用电需求，从而改变我们的生活。要做成这种发电的衣服，首先我们要得到这种能发电的纤维。

这种能发电的纤维，首先它是一个器件，而任何器件的核心部件都是电极，所以我们又要先得到纤维的电极材料。因此我们发明了一种名为“取向碳纳米管纤维”的独特材料，它是由碳纳米管通过拉丝的方式获得。

碳纳米管是一个什么样的材料？这是一个由碳原子形成的管状结构，其直径只有头发丝的千分之一到万分之一，它的密度是钢的六分之一，但强度却是钢的100倍。

它的电导率与金属相当，所以可以制作成纤维碳纳米管电池，然后制成衣服，这样的衣服一个白天（10小时）可发电6.1万毫安时，相当于反复为你的苹果手机充电4次。

这个衣服的基本单元是纤维太阳能电池，它到底是怎么做的？我们来看一看。图片左上角是一个典型的结构，蓝颜色是一个作为电极的碳纳米管纤维，我们在它的表面镀上红色的光电活性材料，用于吸收太阳光产生电。

而碳纳米管纤维的正面涂了另外一层电极膜，两个电极可把红色光电活性材料产生的电传去外电路。

在反复弯折时，这种碳纳米管纤维仍可稳定供电，现在光电转化率最高可达到9.45%，意味着它可以在商业上进行推广应用。

这个纤维状太阳能电池还有一个独特的优点，即不管阳光从哪个角度照过来，它的光电转化率都非常稳定。这意味着，当你穿一件由这种纤维构成的衣服去运动，在运动过程中，衣服输出的电都非常稳定，从而高效、安全地为电子产品供电。

在白天，太阳能电池可以供电，那晚上怎么办？我们希望，这件衣服还可以将白天的电通过太阳能电池储存起来，供晚上需要的时候使用。这也就是说，我们还希望把锂离子电池、超级电容器等等这些储能的器件也做成衣服。

除了锂离子电池、超级电容器，还有其他很多的储能器件，如锂硫电池、锂空电池、新空电池等等都在发展过程当中，正慢慢走入我们的生活。对于这类广泛的各式储能器件，我们都可以把它做成纤维，按照不同的要求进行组装，做成衣服。

发电、储电，是这类神奇纤维的第一大主要功能。

可变色、发光的衣服

接下来我跟大家介绍这个纤维的第二大功能，如果我把它做成衣服，这件衣服是可以变色的。

我们可以把它做成各种各样的颜色，把它图案化，将它按照你的需求进行改变。未来，你可能只需要买一件衣服，就可以适应不同场合的穿搭。

我跟大家介绍下这**变色的纤维是怎么来制备的。**变色龙可在不同环境下改变皮肤的颜色，这主要源自它皮肤表层材料结构的改变。基于类似思路，我们引入了“丁二炔”这类高分子材料，它可以跟碳纳米管进行复核，当通电时，这个高分子的结构会发生改变。

改变以后，大家可以看到颜色的变化。你可以看到，蓝色的纤维在通电后变成红色，当你把电撤去后，红色又很快回到蓝色，整个过程非常迅速，在一秒内完成，然后它可以反复进行。

很多时候，我们还希望在晚上能看到衣服颜色的改变，那就意味着衣服必须能发光，我们也要得到发光的纤维。

我们首先在一根纤维（可以是碳纳米管纤维）的电极基底上涂上一层发光的活性材料，再涂上另一层发光电极，这实际上就是两个电极中间夹杂着一个活性发光材料。

它可以连续地构建，通过一个机器得到很长的一个纤维，这样一个纤维在很小的电压（3-5伏）下，可以均匀地360度发光，而且它还非常可控，你可以得到不同的颜色。

这是我跟大家介绍的第二类可变色和发光的功能。

纤维人工肌肉

第三类我想跟大家介绍的是它的变形，即它起到了类似于人工肌肉的作用，这是我们偶然发现的一个非常有趣的现象。

当很多碳纳米管相互缠绕形成一根纤维时，通电后，你会发现这根纤维有一个轴向的收缩，又有一个径向的旋转，经过测算，它的作用力大概是最强自然骨骼肌肉的100多倍。

这个新现象的可能解释是，碳纳米管相当于一根导线，这个纤维里面有很多导线，当两根导线通电后，它会产生一个电池相互作用力，从而导致这个纤维发生运动的响应。因为一根纤维的直径横截面大概会有数百根碳纳米管，所以它的累积作用力非常强。

我们对这个作用力做了一些应用的示范，大家可以看到，我们把一根纤维黏在纸片上，纸片很重，它可能是这个纤维的几百倍重量，但你看到通电以后，这个纸片被弹起来了。

我们可以想象用它做成一个翅膀，只用接通一股很小的电流，这个翅膀就可以煽动起来，断电之后它又回到原位。这个过程可以反复进行，而且翅膀煽动的频率可以通过电流频率来控制。

因为这个材料耐高温，它在多数环境条件下很稳定，所以它可以对其他很多环境进行侦查、拍照，解决人很难进入的场合。

同时，由于它所产生的力是自然界最强骨骼肌肉的100多倍，我们可以借助这个纤维作为人工肌肉，就连小孩也可以靠它很轻松地拎起上百公斤甚至更重的物体，这也可能会解决在很多应用场合下人们碰到的难题。

其他多功能应用

 

实际上这种纤维还有其他很多功能，比如我们可以把它做到可发热、可制冷，以轻松应对一些极端条件；比如说我们可把这种纤维做成手套，只要你戴上手套，就可以在墙壁上进行爬行，这意味着大家在电影上看到的蜘蛛侠是有可能实现的。

这种独特纤维也可在医学上开展重要应用，比如把蓝色的发光纤维做成毯子，裹在小孩身上，所发出的柔和光可治疗新生儿黄疸，而不需要把婴儿放在一个冷冰冰的箱子里，这既能起到更好的治疗作用，也不用把婴儿从母体身边分开。

大家可能会问，这类多功能的神奇纤维材料和器件什么时候可以买到？价格怎样？我想，对于这么一个产品和技术，未来大部分工薪阶层都可以接受；对于这个纤维的功能，实际上我们还在不断地探索和进行中。

随着科技的发展，在很多全新的领域都可以得到应用。比如说太空电梯，以后人类到太空去，不用坐火箭，而是直接达成一部电梯上去。对于这个电梯最重要的就是两根缆绳，这两根缆绳要足够轻和足够强，目前来看碳纳米管纤维材料是一个非常好的选择。

所以我们有理由期待，在不久的将来，这类纤维材料可能颠覆我们的生活方式，创造人类全新的未来！

谢谢大家。